X波段AIGa/GaN HEMT器件物理与相关实验研究

摘要

具有高温、高频和大输出功率能力的宽禁带AlGaN/GaN HEMT器件已成为国内外研究的热点课题。由于异质外延生长的AlGaN/GaN HEMT材料存在晶格和热失配问题，特别是GaN基异质结器件存在很强的自发极化和压电极化效应，从而导致器件中存在许多物理效应的作用机制仍不明确，而相关的实验如材料表征、应变分析、离子注入掺杂、欧姆接触和电流崩塌等仍然存在许多科学问题需要进一步深入研究。
　　 本论文围绕X波段AlGaN/GaN HEMT所涉及的器件物理和相关实验等科学技术问题开展了基础研究，取得的主要研究结论如下。
　　 1、基于对AlGaN/GaN HEMT自发极化和压电极化效应的研究，导出了异质结中的极化强度和晶格常数及弹性系数之间的关系；利用电中性平衡原理，建立了非故意掺杂AlGaN/GaN HEMT器件结构中极化面电荷密度和2DEG之间的物理模型。
　　 2、应用高分辨X射线衍射技术(HRXRD)的GaN材料晶格参数精确测量方法，深入研究了GaN基异质结构材料水平和垂直方向的应变情况；同时利用Williamson-Hall方法测量了外延材料的镶嵌结构参数，明确了材料中存在的位错类型，对螺位错和刃位错的位错密度进行了精确计算，获得总的位错密度为109cm-2量级。
　　 3、通过Si离子注入GaN材料的掺杂实验，在较低温度下(＜1100℃)利用快速热退火技术实现了GaN的重掺杂目的，为制作高质量欧姆接触提供了新的技术途径。研究表明，当注入能量1OOkeV和注入剂量1016cm-2的样品在11OO℃快速热退火处理后可实现重掺杂，其载流子面密度为2×1015cm-2、方块电阻100Ω/□，而穿透位错密度降低至1.55×109cm-2。同时，利用光致发光PL谱测试发现了能量分别为2.61eV与2.67eV蓝光发光(BL)谱线，这与前人研究的结果有所不同。进一步研究表明，2.61eV蓝光BL发光是由施主能级ON到深受主复合能级VGa-SiGa的跃迁发光产生的，而2.67eV BL带发光是由20meV左右的SiGa浅施主能级向VGa-ON复合深受主能级之间电子跃迁辐射发光所产生。
　　 4、在非故意掺杂GaN上实现了低比接触电阻率的高质量多层金属欧姆接触。采用Ti(15nm)/A1(220nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)四层金属在非故意掺杂GaN上进行欧姆接触实验研究，在N2气氛中经温度900℃快速热退火1min后获得了最低的比接触电阻率为1.26×10-7Ω.cm2。经XRD和俄歇能谱剖面分析结果表明，Ti和Al之间反应形成低功函数A1Ti金属相可降低势垒高度，同时氮(N)的析出与Ti之间会形成低电阻低功函数的TiN金属相，导致在GaN导带边缘能级位置以n型施主态存在大量N空位，使金属与n-GaN界面处产生重掺杂效果，导致势垒宽度变薄有利于形成高质量的欧姆接触。
　　 5、基于虚栅模型解释GaN HEMT电流崩塌效应的产生机理；为尽量降低自热效应特别设计制作了栅宽1Oμm的AlGaN/GaN HEMT器件进行电流崩塌实验，建立了脉冲条件下电流崩塌实验新方法。研究指出，脉冲频率和宽度变化均会导致器件呈现不同程度的电流崩塌效应，与器件表面态中电子的俘获和释放机制密切相关。并通过优化设计场板结构器件参数，从而降低了沟道电子峰值温度达到抑制电流崩塌目的。实验还发现，钝化后GaN HEMT电流崩塌量降低至仅4.7％。
　　 6、优化设计影响频率和功率特性的器件结构和关键工艺参数，研发了有和无台面隔离的器件版图和工艺流程，制作了具有优良频率和功率性能的X波段AlGaN/GaN HEMT器件。
　　 研究结果表明，半绝缘SiC衬底上0.25μm栅长、100μm栅宽的AlGaN/GaNHEMT器件，在零栅压下源漏饱和电流为1112mA/mm，跨导250mS/mm;截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为41.5GH和108GHz;采用负载-牵引(Load Pull)方法在栅源电压-3.2V、源漏电压28V和8GHz连续波条件下测试，获得器件的输出功率密度是5.62W/mm、增益7.49dB、功率附加效率31％。同时，总栅宽3mm的AlGaN/GaN HEMT器件经管壳封装后测试，其源漏饱和电流为2.5A，跨导660mS;在频率8GHz、栅压-2.5V和源漏电压40V偏置条件下，器件最大输出功率达15.85W，增益6.95dB，功率附加效率36％。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究现状

1.3 目前存在的主要问题

1.4 本论文的主要工作和内容安排

第二章 GaN基异质结材料的极化效应和应变分析

2.1 GaN异质结材料的极化效应与2DEG

2.1.1 GaN异质结中极化效应的产生

2.1.2 极化效应与2DEG的物理模型

2.2 异质外延生长GaN的材料特性

2.2.1 外延生长的衬底材料

2.2.2 GaN材料的厚度均匀性研究

2.3 GaN异质外延材料的应变研究

2.3.1 X射线布拉格衍射基本原理

2.3.2 晶格参数的精确测量

2.3.3 异质外延结构中的应变分析

2.3.4 镶嵌结构GaN外延膜的表征研究

2.4 GaN外延材料的形貌分析

2.4.1 原子力显微镜测试技术

2.4.2 AFM研究GaN外延材料形貌

2.4.3 腐蚀后样品的SEM分析

2.5 本章小结

第三章 GaN中Si离子注入掺杂实验研究

3.1 离子注入工艺

3.1.1 离子注入技术特点

3.1.2 GaN的离子注入实验

3.2 离子注入样品的晶体质量和应变分析

3.3 位错密度和表面形貌分析

3.3.1 注入前后的位错密度测量结果

3.3.2 表面形貌分析

3.4 注入及退火前后电学性能变化

3.5 光致发光PL谱分析结果

3.6 本章小结

第四章 金属与n-GaN欧姆接触研究

4.1 GaN 上欧姆接触研究概述

4.2 GaN 上多层金属欧姆接触研究

4.2.1 欧姆接触形成机制

4.2.2 薄层材料欧姆接触测量方法

4.2.3 GaN上欧姆接触实验研究

4.3 本章小结

第五章 AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应研究

5.1 电流崩塌效应及虚栅模型

5.2 栅宽1Oμm的GaN HEMT器件制作

5.3 GaN HEMT电流崩塌实验

5.3.1 实验和测试方案

5.3.2 栅极脉冲信号下电流崩塌现象

5.3.3 漏极脉冲测试结果

5.4 优化场板结构抑制器件电流崩塌

5.5 本章小结

第六章 微波功率GaN HEMT器件制作与测试

6.1 GaN HEMT微波功率器件设计

6.1.1 微波功率场效应器件设计考虑

6.1.2 AlGaN/GaN HEMT器件版图设计

6.2 GaN HEMT器件制作关键工艺流程

6.3 蓝宝石上GaN HEMT器件实现与测试

6.3.1 无台面刻蚀的GaN HEMT制作

6.3.2 台面隔离的GaN HEMT器件

6.4 半绝缘SiC衬底上AlGaN/GaN HEMT器件

6.4.1 栅宽1OOμ,m AlGaN/GaN HEMT器件

6.4.2 栅宽3mm微波功率GaN HEMT器件实现

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果