论文摘要
随着微波技术的广泛应用,尤其是无线通讯、航空航天、现代国防电子装备等技术的飞速发展以及工作环境要求的日益苛刻,对电子器件的功率、频率、耐高温及抗辐射等性能的要求越来越高。GaN作为一种新兴的第三代宽禁带半导体材料,由于具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速度大、热导率高、介电常数小、化学性质稳定和抗辐照能力强等优点,因而成为高温、高频、大功率微波电子器件领域的首选材料之一,而在高频、大功率领域的主要应用就是高电子迁移率晶体管（HEMT）,或称为异质结场效应晶体管（HFET）。在GaN异质结场效应晶体管中,2DEG电子迁移率是GaN电子器件的一个重要参数,它直接影响着器件的频率特性和功率特性,因此对2DEG电子迁移率的研究至关重要。2007年赵建芝等人首次提出了“极化库仑场散射”的概念,且研究表明极化库仑场散射是AlGaN/GaN HFETs、AlGaN/AlN/GaN HFETs、 InAlN/AlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs中载流子的重要散射机制,然这些研究仅限于极化库仑场散射对GaN电子器件载流子低场（漏源偏压为0.1V,即VD=0.1V）迁移率的影响。由于器件在实际工作时需在漏极、源极和栅极之间加一定的偏压,在一定的源漏偏压下,沟道电场分布以及器件尺寸对极化库仑场散射的影响尚无人研究。极化库仑场散射作为GaN电子器件中载流子新的散射机制,其与载流子的相互作用机理还有待于完善和进一步研究。因此本论文的主要目的是研究随着漏源偏压的增加,沟道电场分布及器件尺寸等对不同GaN材料体系HFETs电子迁移率的影响,尤其是对极化库仑场散射的影响,以便建立起极化库仑场散射机制的理论模型。具体包括以下内容：1. AlGaN/AlN/GaN HFETs线性区内的电子迁移率研究制备了几个源漏间距为100μm不同栅长的AlGaN/AlN/GaN HFETs样品,测试得到了几个样品的C-V特性曲线和I-V输出特性曲线。首先基于测试数据,利用低场迁移率公式求出了不同漏源偏压下沟道近漏端处的2DEG电子迁移率,然后对求得的电子迁移率随2DEG面密度的变化曲线进行非线性拟合,得到了不考虑电场影响时的匹配迁移率公式,在此匹配迁移率的基础上我们给出了一个与电场相关的迁移率模型。根据给出的迁移率模型,使用准二维模型分别对几个AlGaN/AlN/GaN HFETs样品的I-V输出特性进行了模拟计算,得到了沟道任意位置点处的2DEG面密度、电子迁移率、沟道电场及电势等信息。研究了AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率随漏源偏压和沟道电场的变化关系以及栅源偏压对2DEG电子迁移率的影响,发现在AlGaN/AlN/GaN HFETs Ⅰ-Ⅴ输出特性曲线的线性区内,极化库仑场散射依然是影响2DEG电子迁移率的重要散射机制,通过栅源偏压和漏源偏压的调制可以改变沟道内的2DEG面密度,改变极化电荷分布,进而影响极化库仑场散射。2.研究了沟道电场分布对AlGaN/AlN/GaN HFETs电子迁移率的影响（a）基于测试数据,利用准二维模型对几个源漏间距为60gm不同栅长AlGaN/AlN/GaN HFETs样品的I-V特性进行了模拟计算。分析发现,当2DEG面密度由漏源偏压调控时,电子迁移率随2DEG面密度的变化出现峰值,对于不同器件尺寸的样品而言,其峰值点对应的2DEG面密度也不同,栅长与源漏间距之比越小,峰值点对应的2DEG面密度越高。随着2DEG面密度的增加,由漏源偏压调控2DEG面密度和由栅源偏压调控2DEG面密度的电子迁移率差值在不断减小,并最终趋于一致。四个样品在峰值点处的电子迁移率差值可分别高达1829.9cm2/V·s（样品a）、1226cm2/V·s（样品b）、1594.3cm2/V·s（样品c）和1033.1cm2/V·s（样品d）。我们对峰值点处2DEG面密度所对应的沟道电场分布情况进行了分析,并通过计算得到了沟道不同位置点处AlGaN势垒层的压电极化,分析发现由漏源偏压调制2DEG面密度和由栅源偏压调制2DEG面密度两种情况下的沟道电场分布和AlGaN势垒层的压电极化均有明显的区别。由于极化库仑场的弹性散射势正比于AlGaN/AIN界面处的负极化电荷密度差的绝对值,而分析可知,由栅源偏压调控2DEG面密度的总负极化电荷密度差比由漏源漏源调控2DEG面密度总的负极化电荷密度差要高,因此极化库仑场散射更强,迁移率低。由此可确定由漏源偏压调制2DEG面密度和由栅源偏压调制2DEG面密度的电子迁移率差值是由极化库仑场散射引起的,从而表明沟道电场分布对极化库仑场散射有重要影响。（b）对源漏间距分别为100μm和20gm不同栅长AlGaN/AlN/GaN HFETs的2DEG电子迁移率变化情况进行了分析,发现当栅长与源漏间距之比较大时（对应栅长与源漏间距之比大于1/2）,极化库仑场散射较弱,在较高的2DEG面密度下,极性光学声子散射和界面粗糙度散射起主导作用,电子迁移率随2DEG面密度的降低（即沟道电场的增加）而增加,当2DEG面密度降到一定值时,对极化库仑场的屏蔽作用消失,极化库仑场散射开始起主导作用,迁移率又会降低,因此迁移率的变化曲线出现峰值。而对于栅长与源漏间距之比较小的器件（对应栅长与源漏间距之比小于1/2）,极化库仑场散射较强,始终起主导作用,因此迁移率随着2DEG面密度的增加而升高。由此证明,随着沟道电场的增加,影响迁移率的散射机制跟栅长与源漏间距之比密切相关,栅长与源漏间距之比越大,极化库仑场散射越弱,反之越强。而对于源漏间距为60μm的器件而言,当漏源偏压调制2DEG面密度时,虽然几个样品的2DEG电子迁移率均随2DEG面密度的变化（沟道电场的变化）出现峰值,但可以看出栅长与源漏间距之比越小,峰值点对应的2DEG面密度越高,这也充分说明,对于栅长与源漏间距之比较小的器件,其极化库仑场散射较强。3.研究了InAlN/AlN/GaN HFETs和AIN/GaN HFETs中电子迁移率的变化（a）对几个源漏间距100μm不同栅长InAlN/AlN/GaN HFETs样品的I-V特性进行了模拟,结果显示AlGaN/AlN/GaN HFETs的模拟方法和使用的迁移率模型同样适用于InAlN/AlN/GaN HFETs。对InAlN/AlN/GaN HFETs中的2DEG电子迁移率变化进行了研究,发现与AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG电子迁移率的变化情况类似,在InAlN/AlN/GaN HFETs中,当2DEG面密度由漏源偏压进行调制时,迁移率随2DEG面密度的变化曲线也出现峰值,栅长与源漏间距之比越小,峰值点对应的2DEG面密度越高,且随着2DEG面密度的增加,由漏源偏压调制2DEG面密度和由栅源偏压调制2DEG面密度的电子迁移率差值逐渐减小,并趋于一致,峰值点处的电子迁移率差值可分别高达1522.9cm2A·s（样品1）、1241.1cm2/V·s（样品2）和1273.2cm2/V·s（样品3）。分析知,尽管在In0.18Al0.82N/AlN/GaN异质结构中,InAIN与GaN晶格匹配,不存在应力,然而由于在InAIN势垒层和GaN沟道层中间插入了一层薄的AlN插层,AlN与GaN晶格不匹配,根据逆压电效应,沟道电场的变化会导致AlN插层中的应力发生变化,进而影响到InAIN势垒层。当器件上施加的漏源偏压和栅源偏压发生变化时,栅金属下的极化电荷密度也会发生变化,导致在In0.18Al0.82N/AlN/GaN HFETs内极化电荷分布不均匀,进而产生极化库仑场,散射2DEG电子。由此可知,在InAlN/AlN/GaN HFETs中,极化库仑场散射仍是主要的散射机制,且沟道电场分布对极化库仑场散射有重要的影响,由于沟道电场分布的不同,导致由漏源偏压调制2DEG面密度和由栅源调制2DEG面密度的电子迁移率出现差值。此外,器件的栅长与源漏间距之比越小,极化库仑场散射越强。（b）对源漏间距为60μm不同栅长AIN/GaN HFETs的I-V输出特性进行了模拟计算,并对AIN/GaN HFETs的2DEG电子迁移率变化进行了分析。发现在AIN/GaN HFETs中,对于a、b和c三个样品而言,其栅长与源漏间距之比较大,当2DEG面密度由漏源偏压调制时,在较高的2DEG面密度下,极化库仑场散射被屏蔽,极性光学声子散射和界面粗糙度散射起主要作用,因此迁移率随2DEG面密度的降低而增加,随着2DEG面密度的继续降低,对极化库仑场的屏蔽作用减弱,当2DEG面密度降低到一定值时,极化库仑场散射开始起主导作用,迁移率又会随2DEG面密度的降低而降低,因此迁移率变化曲线出现峰值。对于d样品来说,栅长与源漏间距之比较小,极化库仑场散射较强,因此迁移率随2DEG面密度的增加而增加。与AlGaN/AlN/GaN HFETs和InAlN/AlN/GaN HFETs一样,由漏源偏压调制2DEG面密度和由栅源偏压调制2DEG面密度的迁移率差值随2DEG面密度的增加而降低,并最终趋于一致。我们通过计算得到了沟道电场和AlN势垒层压电极化随沟道位置的变化关系,发现两种调制情况下的电场分布和势垒层压电极化有明显的不同,由此说明在AIN/GaN HFETs中,沟道电场分布对极化库仑场散射仍有重要影响,不同的电场分布会导致极化电荷分布不均匀,进而影响极化库仑场散射,因此电子迁移率差值的产生主要是由极化库仑场散射引起的,这与AlGaN/AlN/GaN HFETs中的结论一致。
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标签：异质结场效应晶体管论文; 二维电子气论文; 电子迁移率论文; 沟道电场论文;