论文部分内容阅读
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在高频大功率器件中应用很有前景，这是因为其具有宽禁带，高的电子迁移率，高的击穿场强，强的极化。为了不断提高HEMT器件的频率，缩小栅长是必要手段，但是当栅长缩小到100nm以下时，常规AlGaN/GaN（AlGaN势垒层厚度20nm以上）异质结构就会出现短沟道效应，即阈值电压随漏压偏移严重，沟道夹不断等。缩小势垒层厚度（通常栅长/势垒层厚度大于10）是短栅长器件抑制短沟道效应的必备措施。对于AlGaN/GaN异质结构，势垒层厚度缩小，要想维持较高的二维电子气密度，必须相应地提高势垒层Al组分，因此，研究高Al组份薄势垒的AlGaN/GaN异质结构是高频率GaN器件的重要课题。然而，AlGaN势垒层质量会随着Al组份的增加而退化，在组份超过某一值时，方阻会上升。解决这个问题的一种方法是使用短周期AlN/GaN超晶格作为AlGaN势垒层。本文在此背景下开展，主要研究内容和结果如下：1.高Al组份薄势垒AlGaN/GaN异质结材料生长。在异质结材料生长之后，进行了材料特性测试，并与常规结构AlGaN/GaN异质结进行比较，结果发现，2DEG面密度并没有随着势垒层变薄而减少，这是因为通过提高势垒层中Al组份可以补偿由势垒层厚度变薄给异质结中极化带来的影响。其次研究了GaN帽层和AlN插入层对于异质结特性的影响。当AlGaN势垒层中Al组份增加时，异质结材料表面形貌会恶化，通过增加GaN帽层厚度，可以发现异质结材料的表面形貌得到改善，台阶状变得明显，岛状形貌逐渐消失。AlN插入层的引入，使得等效导带不连续增大，进而可以增加异质结中2DEG面密度，而2DEG迁移率没有随2DEG面密度的增加而下降。2.高Al组份薄势垒AlGaN/GaN异质结器件制作。在栅长为1μm情况下，器件的最大饱和电流517mA/mm，跨导也达到222mS/mm。3.使用短周期AlN/GaN超晶格势垒的高Al组份AlGaN/GaN异质结生长。首先对类AlGaN/GaN异质结进行了能带仿真，发现通过调整超晶格势垒中AlN和GaN单层的厚度，可以改变类AlGaN势垒层中等效Al组份。在材料生长之后，进行了AFM测试，与常规结构AlGaN/GaN异质结进行了比较，结果发现，在Al组份比较高时，使用AlN/GaN超晶格作为AlGaN势垒层的异质结表面形貌得到改善。当Al组份比较高时，超晶格势垒层表面依旧呈现出台阶状。对类AlGaN/GaN异质结，通过CV测试，从载流子分布可以看出，仅存在一个沟道，这说明使用短周期AlN/GaN超晶格可以很好的替代常规合金AlGaN势垒层。在Al组份基本相同时，类AlGaN/GaN异质结中比常规结构AlGaN/GaN异质结极化诱导电荷更多，2DEG迁移率更高。这证实了使用短周期AlN/GaN超晶格作为类AlGaN势垒层的优势。在等效Al组份对类AlGaN/GaN异质结电学特性影响研究中，增加等效Al组份，可以极大增强异质结中极化效应，然而由于2DEG面密度的增加，尤其是AlN厚度变大，界面应力增大，合金无序散射和界面粗糙度散射增强，导致2DEG迁移率下降。