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AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(AlGaN/GaNHFETS)具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强、输出功率高等优点,而且由于自发极化和压电极化效应的存在,即使在没有任何掺杂的情况下,在异质界面处也会产生面密度为1013cm-2的二维电子气(2DEG)。因此,AlGaN/GaNHFETs在航空航天、国防、电力和通讯等领域具有极其重要的地位。近二十多年来,由于器件制备工艺的逐渐完善和材料质量的逐渐提高,AlGaN/GaNHFETs的特性得到了显著提高。但是,随着移动通信、国防电子通讯、人工智能等领域的快速发展,常规AlGaN/GaN HFETs逐渐出现了许多弊端,比如阈值电压漂移、缓冲层漏电、电流崩塌效应和软关断等现象。近年来,为了解决这些问题,人们考虑将背势垒层插入到GaN沟道层与缓冲层之间,从而2DEG可以被很好地限制在沟道中,以提高载流子的限域性。相应地,器件的击穿电压会得到显著提高,关态漏电流大幅度减小,电流崩塌效应也会减弱,器件的可靠性得到显著增强。尤其是随着器件的栅长不断减小,在高温高压大功率的工作条件下,GaN基双异质结场效应晶体管(DHFETs)的优势将更加明显,AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs的应用就是其中之一。大量实验研究发现,由于自发极化和压电极化效应的存在,AlGaN/GaN HFETs中还存在着一种非常重要的散射——极化库仑场散射(PCF散射)。但是,并没有对含有背势垒层的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs中的PCF散射机制进行过研究。因此,在对AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的研究中将PCF散射考虑在内是极其重要的,而对此至今尚未有人做过系统研究。本论文将通过对常规AlGaN/GaNHFETs与AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 器件以及不同尺寸 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的2DEG电子迁移率、栅源通道电阻RchS和跨导gm等器件特性进行对比,重点研究AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs中的PCF散射机制。具体包括以下内容:本论文制备了源漏间距LSD为100μm,栅长LG分别为80μm、60μm、40μm、20μm 的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 与源漏间距 LSD为 20μm,栅长 LG 为 16μm、18μm、4μm 的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央栅器件,对其特性进行对比研究。1、极化库仑场散射对AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs载流子迁移率的影响研究我们分别对源漏间距LSD为100μm,栅长LG为80μm、60μm、40μm、20μm的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 与源漏间距 LSD 为20μm,栅长 LG为16μm、12μm、8μm、4μm 的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs的方形中央栅器件进行了电容-电压(C-V)测试和输出特性曲线测试。通过PCF散射理论,分别拟合计算各器件的载流子迁移率。对于大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 器件,我们发现随栅源偏压VGS从负偏压向0V趋近的过程中,受POP散射影响的载流子迁移率相对更靠近所有散射机制共同影响的载流子迁移率,所占比重远大于其他散射机制。随着栅长iGG的减小,只有PCF散射变化较为明显。当栅长LGG较大时,POP散射影响较大,主导的载流子迁移率与所有散射机制共同影响的载流子迁移率基本保持一致。当栅长LG较小时,PCF散射增强。对比大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 与 AlGaN/GaN HFETs 器件,对于同一尺寸器件,随栅源偏压VGS的增大,AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的载流子迁移率下降得更缓。而且随着栅长LGG的逐渐减小,AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的载流子迁移率随栅源偏压VGS的增大逐渐呈现上升的趋势。由于随着栅长LG的变化,只有PCF散射变化较为明显,且PCF散射对应的载流子迁移率随栅源偏压VGS的增大而逐渐升高。因此由以上实验现象我们得出结论:AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中的极化库仑场散射更强。为了进一步验证这一结论,我们给出了不同尺寸器件的各种散射机制对应载流子迁移率的拟合结果。我们发现,对于相同尺寸的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 与 AlGaN/GaN HFETs 器件,AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 器件中极化库仑场散射对应的载流子迁移率都更靠近所有散射机制共同影响的载流子迁移率,因此AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs器件中的极化库仑场散射更强。对于这一现象的原因,我们给出了如下解释。由于自发极化和压电极化效应的存在,AlGaN/GaN异质界面处会形成三角形势阱,但对于AlGaN/GaN单异质结来说,GaN侧的势垒较低,这就导致势阱中的2DEG容易溢出势阱而进入GaN缓冲层。如果将AlGaN背势垒层插入到在GaN侧,在沟道另一侧将会形成一个高的势垒,从而阻挡了 2DEG的向缓冲层的泄漏,提高了 2DEG限域性。这样,2DEG会更加靠近异质界面。由于在异质界面处分布着极化电荷,这样2DEG在垂直沟道方向(z方向)就会距离极化电荷更近,从而对2DEG电子作用力更强。对于极化库仑场散射来说,附加散射势V(x,y,z)中的z更小,导致PCF散射势更大,PCF散射相对影响更强。因此,AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs器件中的极化库仑场散射更强。对比源漏间距LSD不同,栅长与源漏间距之比LG/LSD相同的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs,小尺寸器件中PCF散射对应的载流子迁移率都更低更靠近总载流子迁移率,因此小尺寸器件中的PCF散射更强。这表明,沟道相对较短时,PCF散射距离也就较短,因此散射作用将较强。2、极化库仑场散射对AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs栅源通道电阻特性的影响研究我们分别对源漏间距LSD为100μm,栅长LG为80μm、60μm、40μm、20μm的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 与源漏间距 LSD 为20μm,栅长 LG为 16μm、12μm、8μm、4μm 的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs的方形中央栅器件进行了肖特基二极管Ⅰ-V曲线测试和栅源通道电阻RchS测试。根据测试结果,分别计算得到各器件的栅源通道电阻RSh。对于大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 器件,我们发现对于LG=40μm、60μm、80μm的器件,栅源通道电阻RchS随VGS增大逐渐增大。对于LG=20μm的器件,栅源通道电阻RchS随VGS的增大均基本保持不变。对比大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 与 AlGaN/GaN HFETs 器件,我们发现AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的栅源通道电阻RchS值大于AlGaN/GaN HFETs器件的RchS值,我们认为这是由于相对于AlGaN/GaN HFETs器件,在AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件中,2DEG更靠近异质界面处的附加极化电荷,这样2DEG在垂直沟道方向(z方向)就会距离极化电荷更近,即PCF散射势V(x,y z)中的z更小,导致PCF散射势更大,PCF散射相对影响更强,导致其栅源通道电阻RSh值相对较大。而且,随栅源偏压VGS的增大,AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的栅源通道电阻RcbS的增长率大于AlGaN/GaNHFETs器件的栅源通道电阻RchS的增长率,且随着LG的增大,增长趋势更加明显。这是由于相对于AlGaN/GaN HFETs器件,在AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs器件中,PCF散射相对影响更强,导致栅源通道电阻RchS受到更强的PCF散射的影响,而PCF散射受VGS影响较大,导致其栅源通道电阻RchS的增长率随VGS增长更大且增长趋势随着LG的增大更明显。对比源漏间距LSD不同,栅长与源漏间距之比LG/LSD相同的AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs,我们发现随栅偏压VGS的增大,小尺寸器件的栅源通道电阻RSh的增长率大于大尺寸器件的栅源通道电阻RSh的增长率,且增长趋势更明显。我们认为这是由于在小尺寸器件中,PCF散射相对影响更强,导致其栅源通道电阻RSh受PCF散射影响相对较大,而极化库仑场散射受栅源偏压VGS影响较大,导致其栅源通道电阻RSh的增长率随栅偏压VGS增长更大,增长趋势更明显。3、极化库仑场散射对AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs跨导特性的影响研究我们分别对源漏间距LSD为100μm,栅长LG为80μm、60μm、40μm、20μm的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 与源漏间距 LSD 为20μm,栅长 LG为 16μm、12μm、8μm、4μm 的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs的方形中央栅器件进行了转移特性曲线测试。根据测试结果,分别计算得到各器件的跨导曲线。对于大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 和 AlGaN/GaN HFETs 器件,我们发现随栅源偏压VGS的增大,不同尺寸器件的跨导逐渐上升至峰值并未出现下降。对比大尺寸的 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs 与 AlGaN/GaN HFETs 器件,我们发现AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs器件的gm峰值小于AlGaN/GaN HFETs器件的gm峰值。我们认为这是由于相对于AlGaN/GaN HFETs器件,在AlGaN/GaN/AlGaN/GaNDHFETs器件中,2DEG更靠近附加极化电荷,即极化库仑场散射势V(x,y,z)中的z更小,导致PCF散射势更大,PCF散射相对影响更强,导致其栅源通道电阻RchS值相对较大,可得gm值更小。对比源漏间距iSD不同,栅长与源漏间距之比LG/LSD相同的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN DHFETs,大尺寸器件跨导上升至峰值之后未出现下降,而小尺寸器件的跨导上升至峰值之后出现下降,我们认为这是由于随栅源偏压VGS增大,PCF散射减弱导致栅源通道电阻RchS减小的部分无法抵消POP散射增强导致栅源通道电阻RchS增大的部分所致。