三沟道algan2fgan异质结材料与器件研究 (1)

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1、摘要I摘要由于在高温、高频、大功率、高击穿场强等方面得天独厚的优势，GaN基材料和器件受到众多学者的广泛研究，被认为在微波毫米波功率器件方面有很好的应用前景。经过多年发展，人们对GaN材料及其形成的各种异质结的生长机理的理解越来越深刻，使得材料的结晶质量得到不断改善，各种电特性指标也越来越高。但是，迄今为止，GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的研究主要集中在AlGaN/GaN单异质结构。为了进一步推动GaN异质结器件在更大电流、更高功率、更低功耗、更高频率、开关模式、多值逻辑门下拉网络等领域的应用，对于多沟道多异质结材料和器件的研究就显得很有必要。在双异质结、双沟道方面已有人做了一定研

2、究，目前对于多沟道AlGaN/GaN异质结的研究基本处于理论研究，少有通过实验获得材料和器件的报道。本文重点开展三沟道AlGaN/GaN异质结材料生长和器件特性的研究，具有重要的开拓意义。论文以三沟道AlGaN/GaN异质结材料的结构仿真、材料生长、器件制备为研究重点，以一维泊松方程求解软件、原子力显微镜、X射线衍射技术、汞探针CV测试、IV测试等手段，首先对多沟道GaN异质结构材料的能带结构和载流子分布进行了理论仿真，在此基础上，利用自主研发的金属有机物化学气相淀积（MOCVD）设备在2英寸蓝宝石衬底上进行多沟道GaN材料生长，并基于优化的材料研制出高性能的器件。主要研究成果包括：1、基

3、于自洽求解一维泊松方程和薛定谔方程，对单沟道、双沟道以及三沟道的GaN基异质结进行了能带结构与载流子分布的仿真与设计，特别是优化设计出了三沟道AlGaN/GaN异质结材料的几种可行的结构方案。2、采用低压MOCVD设备生长出不同结构的三沟道AlGaN/GaN异质结材料，包括Al组分突变、缓变、引入AlN插入层、引入GaN帽层。经过对生长方案的改进，获得了高性能的三沟道AlGaN/GaN异质结材料，原子力显微镜（AFM）测试表明具有良好表面形貌，5×5µm2扫描范围内的表面形貌粗糙度为0.210nm，在室温下未掺杂的三沟道异质结材料方块电阻最小达322Ω/□，二维电子气(2DEG)迁移率达到

4、1600cm2/Vs，C-V特性显示随着栅偏压向反向增大，电容出现三个台阶状的耗尽区，距离衬底最近的沟道中载流子完全耗尽时的栅肖特基偏压在-14V左右，X射线衍射仪测得GaNbuffer层（002）面的半高宽（FWHM）为125.96arcsec，变温霍尔效应测试显示，多沟道AlGaN/GaN异质结中载流子的迁移率随着温度由低到高变化，表现出比单沟道异质结中的载流子更优的迁移率特性。II三沟道AlGaN/GaN异质结材料与器件研究3、选取结晶质量和电特性较为优异的材料，研制出三沟道GaNHEMT器件。器件栅长0.4μm，栅宽25μm。转移特性曲线显示出三沟道结构对应的三个阈值电压和三个跨导

5、峰。利用该特性，可制作多值逻辑器件以及利用调整跨导峰值区域来提高器件工作的线性度。在未掺杂情况下，漏源电压为10V时的最大饱和漏电流为948.6mA/mm，几乎与单沟道AlGaN/GaN异质结器件在同等条件下的电流相同，与仿真结果相符合，同时发现：器件输出特性曲线在饱和区的最大饱和漏电流几乎没有衰退，说明相同衬底下，三沟道器件抗电子自热效应的能力较强。在栅极关断状态下，三沟道AlGaN/GaNHEMT器件的漏极泄漏电流相比单沟道结构的0.04mA/mm，并没有太大的恶化，只有0.11mA/mm，说明材料的结晶质量也得到了保证。研究表明：未掺杂情况下，三沟道AlGaN/GaN异质结材料的热稳

6、定性和器件的多个阈值电压、多个跨导峰值等特性值得利用。通过不断优化材料生长方法和结构，并采用适当的掺杂技术，在实现大电流器件方面的应用前景也非常可观。关键词：三沟道铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管AbstractIIIAbstractBecauseGaNbasedmaterialsanddeviceshavemanyadvantagesinhightemperatureoperation,highfrequency,highpowerandhighbreakdownelectricfield,theyhavebeenwidelystudiedbymanyscholarsanddeem

7、edasagoodapplicationprospectasmicrowaveandmillimeter-wavepowerdevices.Becausemanyresearcheshasbeconductedfortwodecades,researchershaveagoodunderstandingaboutthegrowththeoryofGaNmaterialsandseveralheterostructures