高κ叠栅AlGaN/GaN MOS-HEMT器件特性研究

摘要

GaN基HEMT器件相比前两代半导体材料具有大的禁带宽度、高的击穿电场、高电子迁移率等优势，在高温、高频大功率应用领域展现出了极大的潜力，成为了近年半导体领域研究的热点。但AlGaN/GaN HEMT器件仍存在诸如栅泄漏电流大、电流崩塌及击穿特性不理想等问题，制约了其商业化进程。
　　为减小栅泄漏电流，MOS结构被引入到HEMT器件中。随着器件特征尺寸不断缩小，栅氧化层厚度的减小引起的量子隧穿效应已经不能忽略，导致栅泄漏电流急剧增大，通过采用高κ材料作为栅介质的GaN HMET器件具有很好的高频特性，并能减小栅泄漏电流，成为了近年发展的趋势。
　　本文的研究课题为高κ叠栅AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的设计和性能优化。基于ISE-TCD仿真平台建立的的器件模型，对AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的性能优化和耐压特性两方面内容展开研究，主要研究结果如下：
　　1.首先研究了引入MOS结构对AlGaN/GaN HEMT器件性能的影响，并分析了不同栅介质厚度和高κ叠栅结构对器件性能的影响。结果表明，MOS结构可以减小传统肖特基栅低导通电压引起的大栅极泄漏电流，但是栅控能力出现了下降，而减小氧化层厚度能够提高器件的跨导、栅控能力，并改善阈值电压负漂程度；高κ叠栅结构可以进一步提高栅极调制能力，使器件获得更大的跨导，改善器件的频率特性。
　　2.研究了高κ叠栅AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，结果表明高κ叠栅结构能改善器件的击穿特性。基于高κ叠栅HEMT分析了不同物理参数对器件击穿特性的影响：栅漏间距的增大可以逐渐展宽电场峰值，提高器件的击穿电压；沟道Al组分的掺杂能够提高电子沟道的禁带宽度，因此改善了器件击穿特性；而陷阱电荷的存在会在漏极产生电场峰值，削弱栅边缘电场峰值，最终会导致漏极处先发生击穿。
　　3.通过在高κ叠栅HEMT上添加场板来改善器件击穿特性，并对场板的参数进行了优化设计，确定了器件击穿电压达到最大时最优的场板长度和钝化层厚度；在此基础上，研究了双层栅源复合场板结构，并分析了其优化器件电场分布的物理机制，最终得出在工艺允许情况下添加多层场板结构能显著提高器件的击穿特性的结论。

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第一章 绪论

1.1 GaN器件的研究意义

1.2 AlGaN/GaN HEMT器件的研究进展

1.3 AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的研究意义

1.4高耐压AlGaN/GaN HEMT器件的研究现状

1.5本文研究内容

第二章 AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的基本原理

2.1 AlGaN/GaN异质结的极化效应

2.2 AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的工作原理

2.3 AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的制备

2.4本章小结

第三章 高κ叠栅AlGaN/GaN MOS-HEMT基本特性仿真

3.1器件仿真基础

3.2基本物理方程

3.3高κ 叠栅MOS-HEMT器件特性模拟

3.4本章小结

第四章 高κ叠栅AlGaN/GaN MOS-HEMT击穿特性研究

4.1 AlGaN/GaN MOS-HEMT击穿机理研究

4.2高κ 叠栅HEMT击穿特性研究

4.3高κ 叠栅AlGaN/GaN FP-HEMT击穿特性研究

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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