栅介质的介电特性对AlGaN/GaNMISHEMTs性能影响研究

摘要

由于自发极化和压电极化作用，AlGaN/GaN异质结界面具有很高浓度的二维电子气（2DEG），基于AlGaN/GaN异质结的场效应晶体管(heterostructure filed-effect-transistors,HFETs，也常称为高电子迁移率晶体管，high-electron-mobility transistors,HEMTs)具有输出功率大、效率高等优点，被认为是高频、高温、大功率半导体器件的重要候选材料。
　　由于具有优异的频率特性，针对高频领域应用的AlGaN/GaN HEMTs器件常采用MESHEMTs结构（即：金属-半导体高电子迁移率晶体管，metal-semiconductor high-electron-mobility transistors），然而，其严重的电流崩塌效应和较大的栅泄漏电流成为AlGaN/GaN MESHEMTs应用的主要问题，栅介质的引入（即：金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管，metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistors，MISHEMTs）成为可行的解决之道，它不仅可以有效抑制电流崩塌，而且可极大地降低栅漏电。然而，目前对AlGaN/GaN MISHEMTs器件的研究主要集中在非极性栅介质材料对器件性能的影响方面，且仅关注和利用了栅介质的绝缘特性，很少涉及极性栅介质在AlGaN/GaN MISHEMTs中的应用，栅介质极化特性对AlGaN/GaN MISHEMTs器件性能的影响研究。
　　本论文对比研究了非极性栅介质和极性栅介质对AlGaN/GaNMISHEMTs特性的影响，非极性栅介质选择Al2O3薄膜作为研究对象，并选用了两种具有代表性的典型极性介电材料，研究极化特性对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响，一种极性介电薄膜为掺钠的Beta氧化铝（β-Al2O3，sodium-beta-aluminium，简写为SBA），该介电材料是在Beta氧化铝骨架结构中插入带正电的钠离子而形成的一种极性介电材料，被归于电解质，也称为钠离子导体（电子的绝缘体）；另一种极性介电材料则为铁电体，考虑到工艺兼容性，本论文选择了一种新的铁电体材料—HfTiO铁电薄膜作为栅介质，因此，整个论文由以下几方面研究工作构成：
　　1、首先，本论文采用分子束外延方法（MBE）在AlGaN/GaN异质结场效应晶体管源、漏之间沉积Al2O3薄膜，并研制MISHEMTs结构的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，测量了MISHEMTs特性以及AlGaN/GaN异质结2DEG浓度、迁移率，对比研究了介电薄膜对MISHEMTs特性以及AlGaN/GaN异质结2DEG输运特性的影响，研究结果显示：Al2O3薄膜的沉积使2DEG浓度和迁移率均有所提高，2DEG浓度约增加30％，迁移率约提高23%。器件特性的对比研究也显示：Al2O3薄膜的引入使AlGaN/GaN器件直流输出特性得到了显著提高，与传统MESHEMTs相比，栅泄漏电流减小了约2个数量级，器件最大输出电流密度从590 mA/mm提高到790 mA/mm，约提高了34%；0 V栅压下，器件饱和直流输出电流密度从360 mA/mm提高到700 mA/mm，约提高了94%；器件最大跨导从120 mS/mm增加到170 mS/mm，约增加了42%。通过高分辨率X射线衍射（HRXRD）对比分析表明：Al2O3薄膜的沉积在 AlGaN势垒层中引入了张应力，从而导致AlGaN/GaN界面2DEG浓度和迁移率的提高。在实验基础上，论文还进一步采用经验公式及第一性原理计算的方法，对以上的影响因素从理论上进行了解释。
　　2、在非极性介质（Al2O3薄膜）对AlGaN/GaN界面2DEG输运特性及器件性能影响研究基础上，通过在MBE生长过程中引入Na的分子束流，从而在Al2O3薄膜中掺入Na。对所生长薄膜的微观结构分析结果显示：所生长薄膜为非晶薄膜，X射线光电子能谱（XPS）对薄膜中的Na1s和Al2p分析，结果显示与SBA的特征峰位相一致；对所生长薄膜的介电特性测量表明：在1MHz频率下，薄膜的介电常数约为50，远高于Al2O3薄膜的介电常数，这说明：Na+在电场作用下产生了电极化，且薄膜的绝缘特性良好，适合作为介质材料使用；在此基础上，论文进一步研制了以SBA薄膜为栅介质的AlGaN/GaN MISHEMTs。对器件特性的对比研究显示：当SBA薄膜与AlGaN势垒层之间的界面特性为AlOx/AlGaN时，栅介质对器件特性的影响与Al2O3栅介质的影响规律相一致，特别是阈值电压向更加负的方向移动；而当SBA薄膜与AlGaN势垒层之间的界面特性为Na+/AlGaN时，栅介质对器件阈值电压的影响规律却完全不同，界面正电荷使得器件阈值电压向正方向移动了约2 V，从而显示出极性介质与半导体的界面特性对器件性能具有重要影响。
　　3、在初步显示出极性电介质对器件特性影响规律基础上，本论文进一步研究了另一种典型极性电介质—铁电对AlGaN/GaNMISHEMTs器件特性的影响。采用MBE方法制备了HfTiO薄膜，分别从材料特征、器件特性以及影响机理等方面开展了研究。材料介电特性研究显示：HfTiO薄膜具有铁电性，属于铪基铁电体中的一员，并通过铪/钛比的调整、薄膜沉积温度的优化、薄膜氧含量的调控等技术措施优化了HfTiO薄膜的铁电特性。在此基础上，论文进一步研制了以HfTiO铁电薄膜为栅介质的AlGaN/GaN MISHEMTs。对器件特性研究结果显示：HfTiO铁电薄膜的引入使器件阈值电压也发生了向正方向移动，从原来的-4 V调节到-0.6V。阈值电压的正向移动与沟道2DEG注入并积聚于HfTiO/AlGaN界面有关。

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第一章 绪 论

1.1 GaN基半导体材料结构及性能

1.2 AlGaN/GaN异质结

1.3增强型AlGaN/GaN HEMTs

1.4AlGaN/GaN MISHEMTs

1.5 论文选题及研究方案

第二章 实验方法

2.1 栅介质薄膜的制备方法

2.2 AlGaN/GaN器件工艺

2.3 栅介质薄膜结构分析手段

2.4 栅介质薄膜及器件电学性能测试方法

第三章非极性介电薄膜对AlGaN/GaN MISHEMTs特性的影响

3.1 欧姆接触的研究

3.2 Al2O3薄膜表征

3.3 Al2O3薄膜对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响

3.4 Al2O3薄膜对AlGaN/GaN界面2DEG输运特性的影响

3.5 Al2O3薄膜对AlGaN/GaN界面2DEG输运特性的影响机理

3.6 本章小结

第四章SBA电解质薄膜对AlGaN/GaN MISHEMTs特性的影响

4.1 SBA薄膜表征

4.2 SBA薄膜对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响

4.3界面荷电特性对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响机理

4.4 本章小结

第五章铁电极化特性对AlGaN/GaN MISHEMTs特性的影响

5.1 HfTiO介绍

5.2 HfTiO薄膜表征

5.3 HfTiO铁电薄膜对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响

5.4 本章小结

第六章 结论

主要创新点：

致谢

参考文献

博士期间取得的研究成果