AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件建模及特性研究

摘要

相比于其他很多半导体材料，GaN材料具有很大的带隙宽度、较大的饱和漂移速度、不错的热稳定性，高击穿电场等特征，这使得它能够被很好的应用于抗辐射、高频、大功率以及光电子器件领域。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）就是基于AlGaN/GaN异质结材料制造的GaN基器件，该类器件在高跨导、大饱和电流以及高截止频率方面有着很出色的表现。本文详细介绍了AlGaN/GaN HEMT的结构及工作原理。从器件物理角度出发，研究了AlGaN/GaN HEMT费米能级与二维电子气浓度的关系和电荷控制模型，并探讨学习了器件的电流崩塌效应以及抑制电流崩塌效应的措施。
　　（1）基于对大量资料的查阅，分析了AlGaN/GaN HEMT的工作原理。它是通过栅极下面的肖特基势垒来控制AlGaN/GaN异质结中的二维电子气（2DEG）的浓度，从而实现对电流的控制。所以HEMT的核心部分是掺杂的AlGaN层与未掺杂的GaN层之间的异质结。在未掺杂的GaN一侧的二维电子气与掺杂的AlGaN那一侧的施主杂质原子在空间上是隔离的，这减少了它们之间的散射，从而提高了载流子的迁移率，器件的特性随之大大增强。二维电子气除了从掺杂 AlGaN材料转移电子和GaN沟道层杂质贡献电子外，还有一个很重要的来源就是压电极化和自发极化效应诱生电子的贡献。
　　（2）电流崩塌效应是制约AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率领域大量应用的主要因素。深入学习了电流崩塌效应，并且基于众多文献总结了两种主要的能合理解释电流崩塌效应的机制。特别的，我们归纳了几种能够抑制电流崩塌效应的方法，通过对一些前人的实验结果和仿真结果的分析对这些方法做了深入的研究。
　　（3）提出了两个新的描述HEMT费米能级与二维电子气浓度（ns）关系的非线性关系式。与其他的近似式做比较，发现我们提出的关系式在器件整个工作区域内都同费米能级与二维电子气浓度的精确数值求解结果更加吻合。以这两个表达式为基础，又得到了他们各自的二维电子气浓度ns与栅压的关系。与前人的近似做比较，发现提出的关系式的关于ns与GofV/V的解与精确地数值解有着更好的吻合，而且在不同温度下大的工作范围内都是如此，特别的，提出的近似模型在亚阈值区域做了很大的改进。提出的第二个电荷控制模型对应的表达式的结构比第一个的要简单些，它能够被更方便的使用。除此之外，第二个模型关于ns与VG的解析表达式的解与实验数据做了对比，发现在很大的栅压变化范围内其都与实验数据符合的非常好。这足以说明这个适用于亚阈区到高导区的解析表达式的有效性，其可以用在后续开发HEMT的其他精确解析模型当中。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料

1.2 AlGaN/GaN HEMT器件优势及面临的挑战

1.3本文的工作内容及其意义

第二章 AlGaN/GaN HEMT结构、原理以及制作

2.1 AlGaN/GaN HEMT的结构和工作原理

2.2 AlGaN/GaN HEMT的二维电子气

2.3 极化效应

2.4 AlGaN/GaN 器件的材料与制备

2.5 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT 电流崩塌效应探究

3.1 电流崩塌现象

3.2 GaN基HEMT电流崩塌原理

3.3 对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的抑制方法

3.4 本章小结

第四章 AlGaN/GaN HEMT的电荷控制解析模型

4.1 异质结势阱中二维电子气密度

4.2 各种费米能级与二维电子气关系模型

4.3 AlGaN/GaN HEMT电荷控制模型

4.4 我们的AlGaN/GaN HEMT电荷控制解析模型一

4.5我们的AlGaN/GaN HEMT电荷控制解析模型二

4.6 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

研究成果