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与硅(Si)基器件相比,基于AlGaN/GaN异质结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借着材料的高电场强度与在AlGaN/GaN界面处形成的二维电子气(2DEG)的高迁移率和电子密度,可以在更高的电压、电流、频率以及温度下进行工作。然而,2DEG的存在使得常规GaN HEMT器件为耗尽型。对于电力电子应用,出于安全原因和简化驱动电路,增强型器件必不可少。因此,增强型GaN HEMT器件的实现成为近几年来的研究热点。考虑到可靠性与工艺重复性等问题,具有p-GaN帽层的GaN增强型器件成为主流商用器件。本文通过模拟仿真研究了结构参数对p-GaN HEMT器件直流特性的影响,通过工艺优化制备了高阈值电压与大饱和电流的p-GaN增强型器件,取得的研究成果总结如下:1.通过Silvaco软件仿真了常规结构的p-GaN HEMT在改变相关结构参数的情况下,其器件直流特性的变化。随着p-GaN帽层受主浓度以及厚度的增加,对栅极下方异质结界面处2DEG的耗尽作用增强,使得器件阈值电压随之增加。而随着AlGaN势垒层中Al组分与厚度的增加,AlGaN/GaN异质结所产生的净极化电荷增多,器件的阈值电压负向移动。引入AlGaN背势垒结构能有效抬高异质结界面处导带能级,在改善2DEG限域性的同时提高器件的阈值电压,随着Al组分的增加,器件阈值电压也随之增大。2.为了进一步改善器件直流特性,对栅下方部分p-GaN帽层进行刻蚀处理,引入p-GaN槽栅HEMT这一新结构器件,研究了凹槽占比以及凹槽刻蚀深度对器件特性的影响。将凹槽深度控制在仅刻蚀掉p-GaN层,改变凹槽的占比,对器件的阈值电压影响可忽略不计。随着凹槽比例的增加,器件的栅控能力与饱和工作电流也随之增加。固定凹槽占比改变刻蚀深度,凹槽深度由-5nm(残留5nm p-GaN层)逐渐增大至5nm(AlGaN势垒层刻蚀5nm)过程中,器件阈值电压无明显变化,但刻蚀深度进一步增加,阈值电压明显正移。就饱和电流方面考虑而言,残留p-GaN层或者对AlGaN势垒层进行刻蚀均不利于性能改善。3.基于110 nm p-GaN帽层的AlGaN/GaN异质结材料,成功制备了阈值电压2.3V,源漏饱和电流210m A/mm,跨导峰值45m S/mm,击穿电压340V(栅漏间距6.5μm)的Ni/Au栅p-GaN增强型器件。为了研究不同功函数金属对器件直流特性的影响,采用低功函数金属Ti/Au作为栅极,使得器件的阈值电压提升至2.9V,击穿电压提高至410V。为了进一步改善Ti/Au栅器件直流特性,对器件进行氮气氛围下300℃、10分钟的栅后退火处理。退火处理有助于修复势垒层界面态与浅能级N空位缺陷,同时促进栅极金属与p-GaN帽层界面发生固相界面反应,降低了栅极肖特基势垒高度。栅后退火导致器件的阈值电压由2.9V降低至1.9V,跨导峰值由85m S/mm提升至115m S/mm,饱和工作电流由310m A/mm提升至505m A/mm,增幅高达近66%。在阈值电压与饱和电流折中考虑下与近年来国内外已发表器件指标进行对比,器件直流特性接近国际领先水平。