AlGaN/GaN异质结构的变温电学特性

摘要

AlGaN/GaN异质结构HEMT作为微波大功率器件以其优异的性能而成为目前国际上的一个研究热点，随着GaN薄膜生长技术的提高，对于异质结构的研究不仅仅是追求常规常温下的电学特性参数，而更要求在更宽的温度范围内对AlGaN/GaN异质结构的电特性进行各种机理的分析，建模以及高温应用的可行性及退化机理的分析。本文即在此背景下对AlGaN/GaN异质结构的变温电学特性进行一个研究，使用到了肖特基电容电压(CV)效应，低场下Hall效应以及FAT HFET长栅器件的电容电压-电导电压(CC)测试的表征手段，在77K至673K的高温下对其进行AlGaN/GaN电子体系的研究，2DEG密度与迁移率的变温依赖关系以及AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性等等，主要的研究工作以及成果如下：
　　 1.利用极化理论和一维薛定谔-泊松联立方程的自洽求解研究了2DEG界面不同温度下的变化，在700K的高温下，2DEG依然获得很高的限域性，证实了AlGaN/GaN异质结构高温应用的可行性。在理论上对2DEG迁移率散射机制的建模上发现，在低温段，主导2DEG迁移率的散射机制有粗糙度散射，合金无序散射以及压电散射，在室温段，几乎所有的散射机制都起到一定的作用，而在高温段，2DEG迁移率则主要受到声学声子和极化光学波散射的削减作用。
　　 2.通过对AlGaN/GaN异质结构的变温CV研究发现，其电子体系可分为：1.界面的2DEG，2.AlGaN层非掺杂施主离化的电子，3.GaN层的背景电子对于非调制掺杂的AlGaN势垒层，其电子浓度在673K的高温下相比77K下增加了约两倍，而GaN缓冲层中电子浓度则是以数量级的递增。对于2DEG密度，随温度增加则出现先下降后升高的规律，较低温度段的降低是由于导带不连续△Ec的降低而使得三角势阱容纳不了更多电子，较高温度段2DEG密度的增加是由于2DEG界面处以及界面两侧施主杂质离化产生的自由电子充当着一部分的2DEG。
　　 3.通过高温Hall效应对320型MOCVD生长的多批次AlGaN/GaN异质结构的电子密度与温度关系的研究，均发现室温下耗尽电容越小，背景电子浓度增加数量就越小，甚至观察不到背景电子的出现，相反，耗尽电容越大，其背景电子浓度增加越剧烈，甚至在数值上超过了2DEG。这对于生长高质量的AlGaN/GaN异质结构具有一定的参考价值。
　　 4.通过FAT HFET器件的变温CC测试，结合理论研究了不同温度及不同2DEG密度下的2DEG迁移率，实验发现，在高温下，库伦散射对低2DEG密度的迁移率有着较大的削减作用，这是因为库伦散射在高温下还必须考虑另一种来源：背景电子，而背景电子附加的库伦散射迁移率要比2DEG的低很多，因此才致使2DEG迁移率较低。
　　 5.通过高温Hall效应研究分析了AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性，对不同Al组分的异质结构高温输运特性研究发现，低Al组分AlGaN/GaN异质结构在680K下迁移率较高Al组分的要低，分别为154，182cm2/V.s，由理论计算可知15％和40％Al组分的异质结构二维电子气(2DEG)的第一子带占据在700K下分别为75％和82％，且2DEG在整个电子体系里的比例分别为30％和60％，反映出在高温段，Al组分越高，对次子带的抑制更强，且2DEG的主导作用更大，反之相反。由理论计算得出的不同Al组分AlGaN/GaN异质结构总迁移率与温度的关系的计算结果与实验结果相符合，表明了高Al组分异质结构更适合作为微波大功率器件的材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 GaN基HEMT的特点

1.2 GaN基异质结构的变温电学特性研究进展

1.2.1 当前GaN基异质结构研究进展

1.2.2 AlGaN/GaN异质结构变温电学特性研究进展及其意义

1.3 本文的研究内容和安排

第二章 AlGaN/GaN异质结构的理论仿真

2.1 变温下2DEG的仿真

2.1.1 2DEG的形成

2.1.2 AlGaN/GaN异质结构的2DEG仿真

2.2 AlGaN/GaN异质结构的2DEG迁移率

2.2.1 2DEG中各种散射机制的建模

2.2.2 2DEG及GaN迁移率计算

2.3 小结

第三章 AlGaN/GaN异质结构样品的制备与电学特性表征

3.1 样品的制备

3.1.1 AlGaN/GaN异质结构的生长

3.1.2 AlGaN/GaN异质结构的设计

3.1.3 测试样品的制备

3.2 电学表征方法

3.2.1 2DEG分布测试

3.2.2 2DEG低场下迁移率测试

3.2.3 2DEG密度与迁移率依赖关系表征

3.3 小结

第四章 AlGaN/GaN异质结构2DEG与迁移率的变温研究

4.1 AlGaN/GaN异质结构变温CV特性

4.1.1 2DEG界面变温特性

4.1.2 背景电子浓度的变温特性

4.1.3 CV耗尽电容与电子面密度关系

4.2 2DEG与迁移率关系的变温研究

4.2.1 研究意义

4.2.2 实验以及讨论

4.3 小结

第五章 AlGaN/GaN异质结构的高温输运特性研究

5.1 不同Al组分AlGaN/GaN异质结构高温电子输运特性

5.1.1 研究背景及意义

5.1.2 实验方案

5.1.3 实验结果及分析

5.1.4 理论分析

5.1.5 结论

5.2 不同GaN缓冲层AlGaN/GaN异质结构高温输运特性的比较

5.2.1 研究背景及内容

5.2.2 实验

5.2.3 结果与讨论

5.2.4 结论

5.3 小结

第六章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得的成果以及参加的科研项目