GaN基双异质结特性研究

论文摘要

由于出色的高频大功率处理能力,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件成为下一代RF和微波功率放大器的理想继任者。近些年来,随着材料质量和器件工艺的不断进步,AlGaN/GaN HEMT器件的性能不断提升。与此同时,为了满足国防电子通讯应用领域和飞速发展的移动通信领域的需求,人们已经开始探求一些更高性能的器件结构,GaN基双异质结HEMT器件就是其中较为成功的一种。和传统的单异质结相比,双异质结构HEMT器件具有更强的载流子限域性,这不仅有助于提高载流子迁移率和器件的关断特性,而且有利于抑制电流崩塌效应。因此,开展GaN基双异质结HEMT器件研究是十分有意义的。本文首先从GaN基双异质结构的理论研究入手,通过一维自洽求解薛定谔／泊松方程,模拟研究了各种GaN基双异质结构中的能带结构和载流子的分布特性。模拟中主要考虑了不同背势垒层结构对载流子分布和限域性的影响。模拟结果对实验研究起到了很好的指导作用。之后,本文利用MOCVD技术生长了具有不同背势垒层结构的AlGaN/GaN双异质结材料。通过各种表征手段,对材料的结晶质量和电特性进行了对比分析。结果表明,材料具有较好的结晶质量和电学特性。采用较高Al组分的背势垒层会引起较大的界面失配,采用较厚的背势垒层会引起晶格应变驰豫,这两种情况下双异质结材料的结晶质量均受到了不利影响。从霍尔效应结果来看,由于背势垒层的引入,增加了材料的合金无序散射和界面粗糙度散射,因而双异质结构的2DEG迁移率并没有显著提高。另外,本文通过汞探针CV测试对AlGaN/GaN双异质结材料的载流子分布特性进行了研究,取得了载流子分布以及主沟道载流子限域性随背势垒层Al组分和厚度变化的规律,这些规律和本文理论计算的结果非常一致,验证了理论计算的正确性。最后,本文通过器件制造和测试,对AlGaN/GaN双异质结HEMT器件的直流输出特性、转移特性、RF小信号特性以及电流崩塌效应进行了较为深入的研究。结果表明,该器件表现非常好的直流特性和RF小信号特性。另外,受载流子浓度非常低的寄生沟道的影响,器件的跨导曲线中出现了微弱的双沟道行为；AlGaN/GaN双异质结HEMT器件中较强的载流子限域性,减弱了载流子迁移率对载流子面密度的依赖关系,因而在很宽的栅压偏置范围内,器件仍保持着较高跨导；和传统的单异质结HEMT器件相比,由于主沟道载流子限域性的增强,AlGaN/GaN双异质结HEMT器件中发生了较少的电流崩塌。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 传统GaN基HEMT器件的研究进展
• 1.1.1 GaN及其异质结材料在微波功率器件方面的优势
• 1.1.2 传统GaN基HEMT器件的研究进展
• 1.2 GaN基双异质结构的研究进展以及研究的意义
• 1.2.1 国内外对GaN基双异质结及其HEMT器件的研究进展
• 1.2.2 本文研究的意义
• 1.3 本文的主要工作与安排
• 第二章 GAN基双异质结构理论研究
• 2.1 GaN基异质结理论基础
• 2.1.1 Ⅲ族氮化物异质结形成的物理基础
• 2.1.2 AlGaN/GaN异质结的极化效应
• 2.2 GaN基双异质结构的一维自洽模拟
• 2.2.1 一维自洽模拟的数学物理模型
• 2.2.2 边界条件的选定和自洽求解的实现过程
• 2.3 不同GaN基双异质结构的设计和仿真
• 2.3.1 AlGaN/GaN/AlGaN/GaN结构
• 2.3.2 AlGaN/GaN/AlGaN结构
• 2.3.3 AlGaN/InGaN/GaN结构
• 2.3.4 AlGaN/GaN/InGaN/GaN结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 ALGAN/GAN双异质结材料特性研究
• 3.1 AlGaN/GaN双异质结构材料的设计和生长
• 3.2 AlGaN/GaN双异质结XRD衍射谱分析
• 3.2.1 XRD衍射谱表征方法简介
• 3.2.2 AlGaN/GaN双异质结材料的XRD衍射谱分析
• 3.3 AlGaN/GaN双异质结材料的电学特性表征研究
• 3.3.1 CV测试和分析
• 3.3.2 Hall效应测试
• 3.4 本章小节
• 第四章 ALGAN/GAN双异质结HEMT器件特性研究
• 4.1 AlGaN/GaN双异质结HEMT的制造
• 4.1.1 AlGaN/GaN HEMTs制造的关键工艺
• 4.1.2 AlGaN/GaN双异质结HEMT器件的材料参数和工艺流程
• 4.2 AlGaN/GaN双异质结HEMT器件特性
• 4.2.1 直流特性和频率特性介绍
• 4.2.2 器件特性参数的测量和分析
• 4.3 AlGaN/GaN双异质结HEMT器件的电流崩塌效应
• 4.3.1 AlGaN/GaN HEMT器件中电流崩塌效应
• 4.3.2 AlGaN/GaN双异质结HEMT器件中的电流崩塌效应研究
• 4.4 本章小节
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目