增强型双异质结器件特性研究

摘要

氮化镓基器件由于出色的性能，被学术界和工业界广泛的研究。增强型氮化镓器件在开关和数字电路领域也因具有较大的应用前景而被大量研究。背势垒结构能够提高二维电子气的限域性，氟处理是一种常用的实现增强型技术，然而国内外很少学者研究氟处理背势垒结构器件，因此氟处理和背势垒相结合实现增强型器件具有非常好的研究价值。本文从理论模拟和实验制作上研究了低损伤的增强型双异质结器件，研究内容包括以下几个方面：
　　（1）通过模拟仿真，得到了结合氟注入的三种不同GaN沟道厚度双异质结器件（15nm，30nm，60nm），其阈值电压均大于0V。本文首先模拟仿真了常规单异质结器件和双异质结器件特性，发现双异质结器件具有较小的二维电子气浓度。仿真不同GaN沟道层厚度的双异质结器件，发现阈值电压随着沟道层的厚度的增加而越来越负，跨导随着沟道层的厚度的增加而越来越大。仿真了常规氟功率和较低氟功率分别处理单异质结和双异质结器件，采用较低氟处理功率对三种不同GaN沟道厚度的双异质结器件进行处理，均得到了阈值电压大于0V的效果。
　　（2）通过实验，成功制作了三种不同GaN沟道的增强型双异质结器件（14nm，28nm，60nm），且退火后保持较大的阈值电压。我们使用135W氟处理功率对三种不同GaN沟道的增强型双异质结器件（14nm，28nm，60nm）进行处理，退火前它们的阈值电压能达到1.1V、0.8V和0.3V，它们的峰值跨导分别达到110mS/mm、146mS/mm、198mS/mm。为了进一步提高器件的性能，我们对其进行退火处理。由于135W氟处理功率对器件的损伤较小，退火之后两种不同GaN沟道的增强型双异质结器件（14nm、28nm）的阈值电压分别达到0.7V、0.4V，它们的峰值跨导分别达到161mS/mm、198mS/mm。在肖特基特性方面，我们发现，在隧穿机制的影响下，栅反向电流随着GaN沟道层厚度增加而增加。
　　（3）通过实验，分析了双异质结器件的变温特性。我们对器件进行从20度到270度的在片变温测试。在直流特性方面，当温度从20度上升到70度时，器件的直流特性性能非常稳定，当温度继续升高时，由于氟离子的移动，阈值电压逐渐负向移动；在肖特基特性方面，在不同的温度区间由不同的电流输运机制控制。对于反向肖特基电流，在隧穿机制和碰撞机制的共同作用下，肖特基反向电流先增大后减小。对于正向肖特基电流，在隧穿机制和热电子发射机制共同作用下，肖特基正向电流亦是先增大后减小；在DIBL特性方面，常温下14nm GaN沟道双异质结器件具有非常好的限域性，其DIBL特性值仅为16mV/V，但随着温度升高，其DIBL特性不稳定，限域性变差，常温下28nm GaN沟道双异质结器件限域性也较好，其DIBL特性值为30mV/V，随着温度升高，DIBL特性较为稳定，限域性依然保持较好。

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第一章 绪论

1.1氮化物及氮化镓介绍

1.2 GaN器件的研究进展

1.3本论文的结构

第二章GaN HEMT原理与工艺及仿真软件介绍

2.1AlGaN/ GaN HEMT工作原理及增强型实现方法

2.2AlGaN/GaN HEMT器件的制备工艺

2.3 Silvaco软件介绍

2.4本章小结

第三章 不同氟等离子功率处理GaN双异质结器件仿真分析

3.1双异质结器件与单异质结器件特性仿真对比

3.2不同GaN沟道层厚度对器件特性的影响

3.3常规氟功率处理器件特性对比

3.4较低氟功率体处理器件特性对比

3.5本章小结

第四章 135W氟等离子功率处理GaN双异质结器件实验分析

4.1 135W氟功率处理GaN双异质结器件退火前特性分析

4.2 135W氟功率处理GaN双异质结器件退火后特性

4.3 GaN双异质结变温特性分析

4.4本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

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