InAs/AlSb高电子迁移率晶体管及MIS-HEMT研究

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In As/AlSb高电子迁移率晶体管(HEMT)器件中,InAs沟道材料有高电子峰值速度(4×l07 cm/s),且InAs/AlSb异质结有很大的导带带隙ΔEc1.35 eV),有利于提高2DEG浓度,在高速、高频、低功耗等方面非常有优势且拥有良好的发展前景。特别在低温领域,In As/AlSb HEMT器件具有无可比拟的优势。然而,国内针对In As/AlSb HEMT器件的研究尚处于起步阶段。本文在此背景下,通过结构设计、模拟仿真和制备测试展开了In As/AlSb HEMT器件研究。重点围绕In As/AlSb HEMT异质结材料的外延生长和结构设计、HEMT器件制备和性能分析展开研究,同时研究了绝缘栅MIS-HEMT器件,制作了high-k介质层/InAlAs的MIS电容,并进行了表征。论文的主要研究成果如下:(1)用Sentaurus TCAD构建了InAs/AlSb HEMT仿真模型,对单δ面掺杂和双δ面掺杂的两种外延结构的In As/AlSb HEMT器件仿真,得到了热平衡状体下两种结构的能带图,并对柵长是0.35μm的器件直流特性和交流特性进行对比。单δ面掺杂器件在VDS=0.6 V时,源漏饱和电流是576 mA/mm,峰值跨导gm达到了1047 mS/mm。而双δ面掺杂器件在VDS=0.6 V时,源漏饱和电流是832 mA/mm,峰值跨导gm达到了1208 mS/mm。通过比较发现双掺杂的器件输出电流要比单掺杂大,且双掺杂的器件关断电压要大,跨导也比单掺杂结构大,柵控能力好。同时进行了HEMT器件低温特性仿真,结果发现低温时器件载流子的迁移率增大,且柵控能力变得更好,沟道导通电阻变小,同时低温时声子散射影响降低,载流子迁移率增大,所以器件柵控能力增强,跨导增大。最后仿真了InAs/AlSb MIS-HEMT器件的阈值电压,饱和漏极电流与肖特基HEMT相比有提升,峰值跨导与肖特基HEMT相比略有下降。(2)利用MBE技术生长了单δ面掺杂,双δ面掺杂InAs/AlSb HEMT外延结构。选用了半绝缘材料GaAs衬底,采用InSb键界面,这种界面在形成过程是吸附了大量的Sb,这种界面是光滑的,与AlAs界面相比,获得载流子的迁移率较高。通过AFM和RMS测试发现两种外延结构的表面形貌较好。Hall测试结果表明,单δ面掺杂和双δ面掺杂的HEMT外延片的电子迁移率和面电子浓度分别是16780cm2/Vs和1.98′1012/cm2,12562 cm2/Vs和7.71′1012/cm2。从300 K到175 K,两个外延样片电子迁移率和温度的变化趋势一致,光子散射是主要的散射机制。但是当温度低于175 K时,电离杂质散射变成主要的散射机制,这时载流子迁移率只与杂质浓度呈N-1关系。双δ面掺杂的外延片的杂质浓度N比单δ面掺杂的外延片要大,则对应的电子迁移率要低。(3)利用电子束蒸发技术制备了In As材料上形成低欧姆阻值的合金和非合金欧姆接触。源漏欧姆接触电阻是器件的非本征参数的一部分,降低欧姆接触阻值对器件的转移特性和跨导的提高很有利,进一步影响了器件高频特性。本文开发了合金欧姆接触和非合金欧姆接触。合金Au/Ge/Ni/Au(20/40/14/220 nm)欧姆接触,测量TLM图形得到300℃退火时欧姆接触阻值是0.65Ω·mm。同时也用非合金Pd/Pt/Au(12/35/60nm)得到250℃退火时欧姆接触阻值Rc是0.27Ω·mm,同时研究了非合金欧姆接触的稳定性。合金欧姆接触的热稳定相比非合金要差一些,InAs/AlSb HEMT器件制备中最终选取了非合金欧姆接触体系,非合金欧姆接触形成的欧姆接触阻值偏低,同时热稳定性好。(4)制备了肖特基柵InAs/AlSb HEMT器件,同时设计了器件的制备工艺流程,源漏欧姆接触、器件台面隔离、栅槽腐、肖特基柵接触形成。采用非合金Pd/Pt/Au形成欧姆接触。湿法台面腐蚀,这儿没有采用干法台面刻蚀,是因为干法台面刻蚀,虽然形成图像边缘完整,也达到隔离电流数量级,但是对材料的刻蚀损伤对器件的高频特性会恶化。用柠檬酸栅槽腐蚀液对In AlAs材料和InAs材料的选择型湿法腐蚀形成器件栅槽。制备出了柵长为2μm,柵宽是2×30μm的肖特基柵In As/AlSb HEMT器件,填补了国内InAs/AlSb HEMT器件研究的空白。(5)解决肖特基柵InAs/AlSb HEMT器件栅极漏电流较大的问题,提出了用绝缘栅high-k介质代替肖特基柵来减小InAs/AlSb HEMT器件栅极漏电流。制备了high-k介质的MIS电容,并且对Al2O3,HfO2,HfO2/Al2O3,HfAlO的high-k介质/InAlAs MOS进行对比研究,对比分析了XPS、C-V和I-V特性。结果发现Al2O3介质形成的MIS电容的氧化层陷阱电荷Qot是7.19′1010 cm-2,界面态密度是2.5×1011 cm-2eV-1,这就表明Al2O3能有效减小界面态密度,这样提高了InAlAs层界面特性。J-V测试都表明在柵电压为1 V时,Al2O3样品的漏电分别是1.37×10-6 A/cm2,这表明Al2O3样品比HfO2有较小的漏电。XPS也分析表明HfO2淀积到InAlAs形成MOS界面特性要比Al2O3差些。在后面制备绝缘柵介质InAs/AlSb MIS-HEMT器件时,优先选用Al2O3作为high-k介质材料。
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