algan%2fgan异质结器件提升二维电子气浓度的研究

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1、山东大学硕士学位论文摘要氮化镓(GaN)半导体材料因其具有化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀等优良特性，使其非常适合于制作光电(蓝光、绿光和紫外光等)、抗辐射、高频及大功率的电子器件。GaN半导体材料具有的这些优良特性，能够很好地弥补前两代半导体材料的固有缺点，从而成为目前微电子领域被广泛关注的研究热点之一。AIGaN／GaN异质结场效应晶体管(HFET)，是以AIGaN／GaN异质结半导体材料为基础而制造的GaN基器件。A1GaN／GaNHFET器件除了拥有GaN材料自身的一些优良特性外，由A1GaN势垒层

2、和GaN层形成的异质结界面处因材料的晶格常数差异而产生出很强的极化效应，从而导致即使A1GaN势垒层在未掺杂的情形下亦能形成高浓度的二维电子气(2DEG)。重要的是，2DEG浓度受多个因素(A1组分X、势垒层厚度h、应变弛豫度，．和栅偏压圪等)的影响，它的高低将会直接影响AlGaN／GaNHFET器件的电学特性。本文针对影响2DEG浓度的多个因素进行探讨，这对于该类器件的研究和推广具有着重大的意义。本文首先概括了AIGaN／GaN器件的研究现状，提出了课题的研究意义和价值，并简要介绍了工艺级仿真和器件物

3、理特性模拟的软件环境。其次，作者讨论了GaN的基本材料特性(包括晶体结构和光电特性)和A1GaN／GaN异质结的工作原理；重点对A1GaN／GaN异质结器件模拟所用的物理模型(主要有极化效应模型、迁移率模型和载流子产生复合模型SRH等)进行选择并进行相关模型参数的修正；进行器件结构设计，并确定针对每个因素(主要考虑了A1GaN势垒层中Al组分X和厚度h、应变驰豫度，．和栅偏压圪等)的模拟实验方案和表面响应模型(RSM)优化分析(主要基于DoE方法和理论，建立合理的RSM，研究多个因素对器件特性的影响，通

4、过优化设计得到满足设计要求的可制造性区域)。最后，对模拟结果进行了简要分析及讨论，重点讨论了每个因素对导带、2DEG浓度分布和输出特性的影响，针对器件的设计要求，选择影响因素作为控制因素，以输出漏电流厶、跨导g。等为优化目标，建立RSM，最终得到多因素影响的优化曲面。需要强调的是，因仿真环境的模型库中针对A1GaN／GaNHFET器件的模型并不完善，所以要进行模型的选择、建立及参数的修正。因为这项工作直接关系到山东大学硕士学位论文器件模拟是否具有现实意义，所以是整篇论文研究的关键阶段。研究表明：在势垒层

5、厚度h接近其临界值(约30nm)时，随着灿组分x的增大，2DEG的浓度增加明显。同时，随着触组分工和势垒层厚度h的继续增大，又会提高A1GaN势垒层的应变弛豫，而应变弛豫现象的发生又会降低器件的电流传输特性。当Al组分值(z=0．3)恒定时，随应变弛豫度r的增加2DEG浓度降低、夹断电压增大。当应变弛豫度值(，I=O．1)恒定时，随Al组分工的增大2DEG的浓度提高、夹断电压降低。目前，因对A1GaN／GaNHFET器件使用可制造性设计工具进行物理特性模拟和RSM优化分析的工作在国内还较少，则该课题的研

6、究水平位于国内同类研究的前沿。该课题研究成果为国内该类器件及集成电路的进一步发展奠定了基础，在理论上具有一定的参考价值和应用价值。2关键词：A1GaN／GaN；二维电子气；极化效应；可制造性设计山东大学硕士学位论文ABSTRACTDuetotheexcellentpropertiesofChemicalstability,hightemperatureresistanceandcorrosionresistance，GaNSemiconductorMaterialsissuitabletothemanu

7、facturingofthedeviceofoptoelectronic(blue，greenandultravioletlight，etc)，anti-radiation，high—frequencyandhigh-power．AlloftheexcellentpropertiesofGaNmakeuptheinherentdrawbacksoftheprevioustwogenerationsemiconductormaterialswell，whichhasbecomeoneofthewidesp

8、readconcelTlfocusesinthefieldofmicroelectronicsatpresent．A1GaN／GaNheterostructurefieldeffecttransistor(HFET)isakindofGaNdevicebasedontheA1GaN／GaNheterojunctionmaterials．BesidesofseveralinherentadvantagesofGaNmaterial，thepo