薄势垒F注入AlGaN/GaN HEMT器件特性研究

摘要

AlGaN/GaN异质结是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的主流结构，它是以AlGaN/GaN异质结材料为基础制造成的GaN基器件，具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等特性，因此在微波大功率工作环境下拥有良好的前景。随着数字和开关领域的发展，增强型器件的应用愈发广泛而重要。本文主要针对薄势垒F注入AlGaN/GaN HEMT器件的特性进行研究：
　　首先，借助Silvaco TCAD数值仿真工具研究AlGaN/GaN HEMT器件参数变化对器件特性的影响，发现较薄的势垒层结构可以提高器件阈值电压，另外较小的Al组分也可以实现阈值电压的正向移动。模拟F等离子体注入工艺，在栅下AlGaN势垒层形成F离子注入区，改变注入功率的大小实现HEMT器件的增强。模拟电流崩塌问题，发现应力后薄势垒F注入HEMT器件的漏电流下降了7.8％，这可能是F注入工艺在势垒层中产生新的陷阱而引起的电流崩塌；改变场板的长度和钝化层厚度，研究F注入器件的击穿问题，发现减小钝化层厚度可以增大F注入器件的击穿电压。
　　然后，制备薄势垒F注入HEMT器件，包括F注入工艺为（80W，120s）的耗尽型器件和F注入条件为（130W，120s）增强型HEMT器件，利用Keithley4200scs精密半导体分析仪进行器件特性测试，比较不同F注入功率对器件特性的影响，发现常规型HEMT器件的阈值电压为-2.9V，F注入功率为80W的器件阈值电压为-0.6V， F注入功率为130W的器件阈值电压为+0.4V，随着F注入功率的增加器件阈值电压正向移动，相比于常规器件栅漏电流也有所降低。
　　其次，对F注入器件施加电应力以研究器件特性的变化，在1000s关态应力作用下，发现（80W，120s）的F注入器件特性退化严重，阈值电压严重负漂，而在开态应力作用下，常规型器件和F注入器件的阈值电压均未发生较明显的改变，其原因可能是不同应力下器件内部电场方向不同造成的，对于（80W，120s）的F注入工艺可能在势垒层引入的F离子并不稳定，在关态应力下不稳定的F离子受电场作用从栅下向源漏端迁移，当F离子离开栅下区域时对沟道二维电子气的耗尽作用大大减弱，使器件阈值电压负向漂移。
　　最后，利用电导法分析器件在应力前后势垒层陷阱态的变化，在关态应力时不稳定的F离子会向源漏区发生迁移，在F离子迁移过程中可能会产生新的陷阱使器件特性退化，利用电导法计算发现关态应力后势垒层陷阱有所增加，陷阱时常数也有所改变，表明在F离子的迁移过程中引入了新的缺陷。

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第一章 绪论

1.1 AlGaN/GaN HEMT器件背景研究

1.2增强型AlGaN/GaN HEMT器件的演变

1.3本文的研究内容及章节安排

第二章 F离子注入AlGaN/GaN HEMT器件基本理论

2.1 III族氮化物半导体材料

2.2 AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管

2.3 F等离子体注入的AlGaN/GaN HEMT器件

2.4本章小结

第三章 薄势垒F注入AlGaN/GaN HEMT器件特性仿真

3.1器件数值仿真

3.2 AlGaN/GaN HEMT器件特性仿真

3.3薄势垒F注入器件应力仿真

3.4本章小结

第四章 薄势垒F注入AlGaN/GaN HEMT器件特性研究

4.1器件研制及实验设计

4.2薄势垒F注入HEMT器件的电流-电压特性

4.3薄势垒F注入HEMT器件的电容-电压特性

4.4电应力下的F注入HEMT器件特性退化研究

4.5薄势垒F注入HEMT器件陷阱分析

4.6本章小结

第五章 研究总结与展望

参考文献

致谢

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