Ⅲ族氮化物增强型HEMT与TFET器件研究

摘要

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体是直接带隙的宽禁带半导体材料，由于具有高电子迁移率、高击穿场强、强极化、抗辐照和耐高温等优越的材料特性，已经在照明领域得到广泛的应用，并在光伏、探测、高速数字电路、微波功率和电力电子等领域表现出巨大的应用潜力。其中，以AlGaN/GaN异质结为代表的Ⅲ族氮化物异质结构，因强极化效应诱导异质结界面处形成高浓度的二维电子气（2DEG），非常适合于制备高电子迁移率晶体管（HEMT），这也导致了Ⅲ族氮化物HEMT一般为耗尽型器件。但是，增强型器件在电力电子开关和E/D模数字电路等领域具有独特的优势和不可替代的作用。当今，通过研究新的材料结构、器件结构和器件工艺提出了凹栅刻蚀、氟（F）等离子体注入、p-GaN帽层和非极性HEMT等多种增强型器件实现方法。此外，Ⅲ族氮化物材料还非常适合制备隧穿场效应晶体管（TFET），考虑到InN、GaN、AlN及其多元合金半导体材料可以覆盖从0.7eV到6.2eV的整个带隙范围，而其中的窄带隙材料非常符合TFET对材料带隙的要求。再加上Ⅲ族氮化物半导体是直接带隙且具有强极化效应，对隧穿结附近能带的调节作用以及其它材料优势，Ⅲ族氮化物半导体在TFET器件领域已经开始受到关注。而且，已有报道证明应用InN、GaN及其合金材料制备的TFET器件表现出了优越的器件特性，显示出在低功耗领域的巨大应用潜力。但是，无论是在增强型HEMT器件还是在TFET器件方面，氮化物的研究都还不够成熟，特别是关于氮化物TFET器件的研究才刚刚起步。 基于上述研究背景，本文提出并开展了对于凹槽沟道的AlGaN/GaN异质结HEMT新型增强型器件和InGaN TFET器件的研究。从理论模拟计算角度对以上两种器件的特性进行了详细的研究和分析，并针对半极性面侧壁凹槽沟道AlGaN/GaN异质结HEMT增强型器件进行器件制备，对器件设计和器件特性做出了分析。本文主要的研究工作和成果如下。 1.提出了一种凹槽沟道的AlGaN/GaN异质结HEMT增强型器件结构。该器件采用凹槽刻蚀结合二次生长的方法实现，理想情况栅下凹槽侧壁的沟道区域是非极性面，不存在2DEG，其他沟道区域是极性面，存在2DEG。器件正是利用栅下的凹槽侧壁无2DEG的非极性面沟道实现器件的增强型工作。该器件结构不仅结合了极性和非极性面材料的优势，而且在同一晶片上同时制备增强型和耗尽型器件时满足工艺的兼容性。通过Silvaco-Atlas器件仿真研究发现，当凹槽刻蚀深度在大于500nm时，器件阈值电压受凹槽刻蚀深度的影响变得很小。通过优化器件参数、凹槽深度和栅金属功函数，器件得到了182mS/mm的跨导和85mV/dec的亚阈值斜率特性，并且发现凹槽沟道HEMT比常规平面沟道HEMT具有更好的击穿特性，前者的击穿电压比后者提高了78%。 2.研究了凹槽侧壁晶面倾角对凹槽沟道HEMT器件特性的影响。首先计算了凹槽侧壁AlGaN/GaN异质结2DEG浓度随侧壁晶面倾角的变化。在此基础上通过二维仿真软件研究了不同半极性晶面的凹槽沟道HEMT器件的转移特性。研究显示随着凹槽侧壁晶向与c面晶向的夹角增加时，AlGaN/GaN异质结的2DEG密度减小，器件阈值电压向正电压方向移动。并且，当夹角等于90°时，器件阈值电压达到最大值。 3.设计并制备了半极性沟道HEMT器件。通过综合考虑各晶面材料生长难度、表面形貌、电子迁移率和电子饱和速度等，选择{11?0x}作为沟道晶面。采用四甲基氢氧化铵（TMAH）处理和低损伤电感耦合等离子体（ICP）刻蚀改善了干法刻蚀对材料表面晶格的损伤，改善了表面形貌。通过优化势垒层和沟道层生长条件后，制备了凸起沟道结构、凹槽沟道结构、单边面漏沟道结构和单边面源沟道结构四种半极性沟道HEMT器件。研究发现单边面源结构器件具有更大的开态电流。通过调节势垒厚度，得到了阈值电压为+0.5V的增强型器件特性。并且电流崩塌效应显示由于半极性面器件沟道区域材料较低的陷阱浓度和较低的栅极近漏端电场，使得半极性面器件比极性面器件具有较低的漏延迟现象。此外，半极性面沟道HEMT器件也表现出较好的栅延迟特性。 4.提出了一种缓变漏区域的源端沟道InGaN TFET器件。首先，该器件采用缓变漏区域In组分的方法调节漏区域材料的带隙宽度，从而调节漏/沟道隧穿结的能带结构，进而达到实现降低器件双极电流的效果。通过仿真研究，这样的材料结构设计确实达到了预期的目的，双极电流（Iambipolar）从常规结构的2.0×10-8A/μm降低到缓变漏区域TFET（GD-TFET）的1.9×10-14A/μm。其次，源端沟道采用高In组分能够调节源/沟道隧穿结的能带结构，使得开态状态下隧穿势垒降低，隧穿几率增加，从而提高了器件的开态电流。通过对器件参数进行优化，最终TFET器件得到了1.1×10-4A/μm的开态电流（Ion）和18.2mV/dec的平均亚阈值斜率（SSavg）。此外，通过对比研究极性面InGaNTFET和非极性InGaN TFET发现，因为极化电场对源/沟道结的调节作用，极性面InGaN TFET器件的亚阈值特性和开态电流相比后者获得显著提高。 5.提出了一种高性能栅调制InGaN无掺杂TFET（DL-TFET）器件。并且从双极特性、关态电流、开关比、开态电流、亚阈值摆幅以及频率特性等方面对TFET器件进行理论研究。研究结果显示InGaN DL-TFET器件相比Si DL-TFET器件开态电流提高了1.6×104倍，同时亚阈值斜率降低了51.1%。此外，采用栅调制方法进一步提高了器件特性。通过器件特性仿真优化，得到的高性能的栅调制TFET器件：在隧穿栅功函数ψTG=3.5eV时，SSavg为7.9mV/dec，Vd=Vg=0.5V时的Ion为8.02×10-5A/μm，截止频率fT为119GHz，能量延时积（EDP）为0.64fJ-ps/μm。研究表明这种InGaN TFET在低功耗应用方面极具应用潜力。

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