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GaN基HEMT器件是基于Ⅲ族氮化物半导体材料异质结构发展起来的第三代半导体器件。得益于Ⅲ族氮化物的禁带宽度大,电子饱和速率高,电子迁移率大,化学稳定性好,在异质结构界面处具有较高的2DEG浓度等材料优势,GaN基HEMT器件在高温、高频、高压电子器件以及传感器等领域具有广泛的应用空间。然而器件性能特别是高温工作性能退化仍是目前GaN基HEMT器件在高温等极端环境下应用亟待解决的关键问题;GaN HEMT器件在生物、环境等涉及pH值探测的应用亦有待开发。据此,本文针对AlInN/GaN HEMT器件性能的热退化问题,提出添加背势垒层和自支撑GaN衬底的解决思路,并通过数值模拟的方法进行了验证优化。另通过模拟和实验研究了 AlGaN/GaN和AlInN/GaN HEMT的pH值传感器性能并对感测区尺寸进行了优化,证明GaN基器件具有优异的pH值探测性能。针对AlInN/GaN HEMT器件性能的热退化问题:一)提出在缓冲层GaN与沟道层GaN之间插入InGaN层形成独特的AlInN/GaN/InGaN/GaN结构,增强沟道电子局域性的改善思路。模拟计算结果表明InGaN所形成的背势垒可提高主沟道中2DEG的电子局域性,有效抑制沟道中的电子溢出。在降低器件的关态漏电的同时提高器件的稳定性,特别是当环境温度升高时,可有效抑制器件的性能退化。例如,室温300K时,InGaN背势垒添加层器件的饱和漏电流比无添加层器件提升41%,跨导提高35.5%;工作温度为400K时,InGaN背势垒的添加使器件饱和漏电流提升213%,跨导提高285.1%。二)提出通过自支撑GaN衬底抑制自热效应的思路。模拟分析了自支撑GaN衬底,传统蓝宝石衬底和倒装AlN衬底三种器件的温度分布和直流特性。结果表明由于避免了衬底与缓冲层的热失配和晶格失配缺陷以及GaN材料良好的导热性,自支撑GaN衬底可以有效抑制自热效应引起的性能退化,提高器件在直流和交流方面的稳定性。另外不同散热衬底对器件的瞬态响应也有一定的改善,例如,当器件从关态到开态(栅压从-3 V到+2 V)的响应时间分别为:GaN自支撑衬底为0.84 μs,AlN倒装衬底为2.63μs,蓝宝石衬底为4.1μs。通过相同外部条件下器件晶格温度分布图获得三种结构器件沟道的最高温度及对应的电子迁移率:GaN自支撑衬底为300 cm2/V·S,416 K;A1N倒装衬底为260 cm2/V·S,447 K;蓝宝石衬底为 120 cm2/V·S,500K。本文亦探索了 GaN基HEMT器件在溶液pH值探测方面的特性。通过计算2DEG浓度与势垒层AlInN厚度的关系得到2DEG消失的临界势垒层厚度,实现了具有超薄势垒层的增强型AlInN/GaN HEMT器件的结构设计。基于此增强型器件结构进一步模拟实验优化了器件感测区结构和尺寸,实验研究了AlGaN/GaN,AlInN/GaN两种HEMT器件对溶液pH值的响应行为及器件的稳定性。实验结果表明当感测区长度固定时,器件输出电流随感测区宽度增加而增大,但不同pH值的输出电流变化量存在最优值,AlGaN/GaN和AlInN/GaN两种器件都表现出同样的趋势。当感测区宽度与长度比值(W/L)为7.5时,两种结构器件在不同的pH值溶液中均表现出较大的电流变化量,即较高的探测灵敏度。在长时间工作后,两种异质结构器件都表现出较好的稳定性。相较AlGaN/GaN器件而言,AlInN/GaN传感器具有更大的输出电流,更高的灵敏度(AlInN/GaN 为-30.83μA/pH,AlGaN/GaN 为-4.6μA/pH),更快的响应速度。本文进一步地提出了一种多感测区GaN基无栅型HEMT传感器并实验研究了其pH值探测性能。实验结果显示当感测区的宽度增加时,传统单感测区器件的输出电流增大,对不同pH值感测的电流变化量也随之增大,但器件背景噪声同时相应升高。多感测区器件在增大感测区总宽度的同时避免了器件背景噪声的大幅增加,因而可获得更大的输出电流和更高的感测灵敏度。以AlGaN/GaN 异质结构器件为例,在不加参考电极情况条件下,单感测区器件的灵敏度分别为-7.08μA/pH和-21.89μA/pH,具有四个感测区的多感测区器件的灵敏度高达-1.35 mA/pH。对三种器件长时间工作稳定性的实验评估表明长时负载工作后器件性能轻微退化,但均可在短时间内快速恢复。器件长期放置后,性能无明显退化,具有很好的pH值稳定探测能力。该工作为制造低功耗传感器系统提供,为降低器件制备成本奠定了良好基础。