介电氧化物/GaN基半导体异质结构的电学性能研究

摘要

第三代宽禁带半导体GaN材料具有大的禁带宽度、良好的导热性、高的载流子迁移速率和大的击穿场强。介电氧化物具有丰富的电学特性，如高的绝缘性和铁电极化特性等。将介电氧化物与GaN材料进行集成，可以得到功能丰富、性能更强和集成度更高的电子器件。但是将介电氧化物与GaN基半导体进行集成一直存在器件电学性能不高和物理机理尚不明确等问题。对此，本文通过建立介电氧化物薄膜/GaN异质结构的物理模型，利用数值模拟的方法研究了该类异质结构中的铁电极化调制机理和界面特性对器件电学性能的影响，并在此基础上结合试验结果对相关介电氧化物薄膜特性和集成器件的性能进行了分析。主要工作和结论如下：
　　1.建立了介电氧化物/GaN基半导体异质结构的电学性能模拟模型。利用电荷控制模型，自洽求解Schrdinger-Poisson方程获得异质结构的电势分布和载流子分布；通过在电位移方程中考虑界面层厚度、界面层介电常数和界面态密度，实现界面特性对整个器件性能影响的讨论。在铁电/GaN基半导体异质结构的模拟中，采用Lue铁电极化模型，实现非饱和铁电极化特征的模拟。
　　2.对介电氧化物/n-GaN异质结构的电学性能进行了模拟，其中主要研究了铁电极化和界面特性对异质结构性能的影响。结果表明，铁电极化可以加速半导体内载流子的耗尽与积累之间的转换，从而增强器件的栅极控制；同时铁电极化可以对GaN体内载流子进行调制。对界面特性的研究发现，界面层厚度越大，介电常数越小，界面态密度越大将会导致铁电极化的调制能力降低。通过对LiNbO3/n-GaN的电学性能模拟，发现LiNbO3铁电极化达2.6μC/cm2，其极化和退极化时GaN表面的电子浓度相差达八个数量级，这表明LiNbO3/n-GaN集成在制备非易失性半导体存储器件领域具有较大的应用前景。
　　3.通过对AlGaN/GaN异质结构的C-V曲线模拟，得到了所用AlGaN/GaN半导体衬底的精确参数，为介电氧化物/AlGaN/GaN异质结构的电学性能模拟奠定基础。所得参数如下：AlGaN层厚度dAlGaN=23nm，AlGaN层掺杂浓度NAlGaN<1×1016/cm3，GaN层掺杂浓度NGaN=1×1015/cm3，AlGaN/GaN界面极化电荷密度NP=9.7×1012/cm2，表面势垒高度SBH=1.3eV。
　　4.分析了Al2O3/AlGaN/GaN MISH异质结构的电学性能。通过电学性能模拟发现，沉积氧压越高，Al2O3/AlGaN界面处的负电荷密度越大，AlGaN/GaN体内的二维自由电子气（2DEG）浓度越小。
　　5.对铁电/AlGaN/GaN MFSH异质结构的电学性能进行了模拟，其中主要研究了铁电极化和界面特性对异质结构性能的影响。结果表明，利用薄膜中所存在的铁电极化及其可翻转性，可实现对二维自由电子气的有效调制。通过对界面特性的研究结果，发现界面层厚度越大，介电常数越小，界面态密度越大将会导致铁电极化的调制能力降低。通过对LiNbO3/AlGaN/GaN异质结构的电学性能模拟，发现在负栅压下，LiNbO3铁电极化达-0.5μC/cm2，同时极化调制使AlGaN/GaN体内的二维自由电子气浓度变化了7×1012/cm2。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 半导体材料GaN概述

1.3 介电氧化物概述及介电/GaN基半导体集成研究现状

1.4 介电氧化物/半导体的电学性能模拟研究现状

1.5 论文选题及研究方案

第二章 电学性能表征及其理论模拟基础

2.1 电学性能C-V测试

2.2 电学性能模拟的理论基础

第三章 介电氧化物/n型GaN异质结构的电学性能模拟

3.1 铁电极化的调制作用

3.2 界面层（缓冲层）厚度对MFS器件电学性能的影响

3.3 界面层（缓冲层）的介电常数对MFS器件电学性能的影响

3.4 界面态对MFS器件性能的影响

3.5 LiNbO3/n型GaN异质结构的电学性能模拟及分析

3.6 小结

第四章 介电氧化物/AlGaN/GaN异质结构的电学性能模拟

4.1 AlGaN/GaN的C-V模拟及其参数提取

4.2 Al2O3/AlGaN/GaN MISH结构的电学性能分析

4.3 铁电/AlGaN/GaN MFSH结构的电学性能模拟

4.4 小结

第五章 结论

致谢

参考文献

在学期间的研究成果