algan沟道异质结材料和器件的研究

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1、西安电子科技大学硕士学位论文AlGaN沟道异质结材料与器件研究作者：孟凡娜导师：张进成教授学科：微电子学与固体电子学中国西安2013年1月StudyonAlGaN-ChannelHeterostructurematerialsanddevicesADissertationSubmittedtoXidianUniversityinCandidacyfortheDegreeofMasterinMicroelectronicsandSolid-StateElectronicsByMengFannaXi’an,P.R.ChinaJanuary2013西安电子科技大学学位论文独创

2、性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文

3、工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。本人签名：日期导师签名：日期摘要I摘要GaN及其相关氮化物作为高压、高频器件的关键材料，归因于它们具有宽禁带、高电子饱和速度和高击穿场强。与Si相比，GaN的禁带宽度是其三倍多，击7穿场强是其十倍，电子饱和速度达到2.7×10cm/s；因此随着GaN

4、材料生长逐渐成熟，AlGaN/GaNHEMT微波功率器件和功率开关器件得到了快速的发展。另一方面，AlN作为另一种宽禁带半导体具有更大的禁带宽度，约是GaN的2倍，理论上击穿电场可以达到12MV/cm。因此作为GaN和AlN合金的AlGaN材料在功率器件方面具有很大的潜力。采用AlGaN代替GaN作为氮化物HEMT的沟道层，不仅可以提高器件的击穿电压，还可以提高器件高温下的稳定性。尽管有上述这些优点，但是生长高质量的AlGaN材料比较难，尤其是生长高Al组分的AlGaN材料，所以相关AlGaN沟道HEMTs的报道相当地少。目前一些研究者采用在AlN衬底上外延AlGaN沟

5、道HEMTs，来提高AlGaN沟道异质结材料的结晶质量和电学特性，很少有从材料的生长条件和结构出发来研究AlGaN沟道异质结材料。本论文在此背景下，采用廉价的蓝宝石衬底，对AlGaN沟道异质结材料生长、结构优化及其器件制备进行了理论和实验两方面的研究，主要研究成果如下：1.首先从氮化物异质结的理论研究入手，通过一维薛定谔/泊松方程自洽求解，模拟研究了多种AlGaN沟道单、双异质结构中的能带分布和载流子分布特性。分析了不同结构对载流子分布的影响，其结果对实验研究起到了指导作用。2.改变AlGaN沟道材料生长温度，研究生长温度对材料特性的影响，找到更适合于AlGaN沟道异质

6、材料的生长温度。研究表明，适当的提高生长温度有利于材料的结晶质量和电学特性。同时，本文还通过采用双缓冲层和引入插入层对材料的结构进行了优化，得到了较高质量和较好电学特性的AlGaN沟道材料。3.理论仿真分析高温下背势垒Al组分对双异质结构的影响。采用MOCVD方法在蓝宝石衬底上外延不同Al组分背势垒结构的双异质结，通过多种表征手段对其材料进行对比分析。结果表明，背势垒Al组分升高，会使材料质量变差，载流子面密度降低，但是对迁移率影响不大。4.模拟仿真高温下不同Al组分沟道层的双异质结，对比分析它们高温特性。并采用MOCVD在蓝宝石衬底上生长不同Al组分沟道层的双异质结，

7、测试并对比分析沟道层Al组分对材料特性的影响。分析认为，沟道层Al组分的改变对载流子的迁移率和面密度影响都很大，而且随着其逐渐升高，影响是负面的。5.本文通过器件制造和测试，对AlGaN沟道异质HEMT器件的欧姆接触、直流输出特性、转移特性、击穿特性及电流崩塌效应进行了研究。结果表明，源/IIAlGaN沟道异质结材料与器件研究漏欧姆接触良好，但是由于AlGaN沟道异质材料的势垒层Al组分较高，欧姆接触电阻相对较大。在相同条件下，该器件的输出电流小于常规的GaN单异质结HEMTs器件的输出电流，其跨导也相对较小，认为这与AlGaN沟道异质材