高铝组分氮化物异质结新结构与新器件研究

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1、学校代码10701学号1117110022分类TN82号TN4密级公开西安电子科技大学博士学位论文高铝组分氮化物异质结新结构与新器件研究作者姓名：张凯一级学科：电子科学与技术二级学科：微电子学与固体电子学学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：郝跃教授提交日期：2014年9月StudyonNovelHeterostructuresandDevicesBasedonHighAl-contentNitrideAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequireme

2、ntsforthedegreeofDoctorofPhilosophyByZhangKai(ElectronicScienceandTechnology)Supervisor:Prof.HaoYueSeptember2014西安电子科技大学学位论文独创性（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

3、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。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。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工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，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，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本

4、人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要III族氮化物半导体因出色的材料特性以及在高温、高频、大功率应用的潜力已成为目前半导体领域的研究热点。得益于材料外延技术的进步、器件制备工艺的成熟以及器件结构的不断创新，氮化物器件在性能与商业化方面都取得了巨大进步。为突破常规AlGaN/GaN异质结的局限，新型高铝组分氮化物异质结成为了近几年的研究焦点。由于更宽的禁带、更强的极化效应等优势，其在多方面已显示出超越成熟的GaN基HEMT器件的能力。本文正是基于新颖的异质结结构进行器件的设计与优化，试图将先进的结构与器件设计相结合，探索适合高压、高频应用的器件。主

5、要研究工作和成果如下：1、高功率增益场板结构和栅结构的研究。结合理论仿真与实验研究了源场板长度、介质厚度等因素对常规双场板器件功率增益的影响。研究表明源场板能够有效地屏蔽栅漏反馈电容，增强器件的功率增益和稳定性。场板长度对增益的增加呈现饱和趋势，而场板下的介质越薄，增益越高。提出一种新型单层栅、源双场板器件，特点为：击穿特性非常类似于传统栅场板器件，但功率增益却因源场板的存在而显著提高，栅、源场板的间距对电场和功率增益的调制有决定性作用。通过工艺优化，制备了场板间距为0.4m的新型栅、源双场板器件，功率增益提高了2.4dB。并成功地将高增益双栅器

6、件引入到氮化物半导体中，其功率增益的提高达5.0dB，且稳定工作频率范围更宽，我们认为这是毫米波应用的理想器件结构。成功地研制了先进的倾斜栅器件，倾斜槽栅结构中线性缓变的栅侧墙能够均匀化栅附近的电场，降低电场峰值，极大地抑制器件反向栅泄漏电流和电流崩塌效应。2、研究了典型的高铝组分薄势垒层GaN/Al0.65Ga0.35N/AlN/GaN异质结HEMT器件的基本特性。由于薄的势垒层，器件表现为增强型工作，并具有较好的直流特性、超低的漏至势垒降低效应（仅为3.3mV/V）、低的栅泄漏电流、良好的电流崩塌和击穿特性；在栅长为0.5μm情况下，fT和fm

7、ax分别为11.6GHz和27.2GHz，显示出高铝薄势垒层在抑制短沟道效应以及高频领域的优势。3、创新地对高K介质Al2O3、La2O3和三元材料La2-xAlxO3与GaN的能带对准特性进行了系统研究。从La2O3介质过渡到Al2O3介质，介质的禁带宽度、与GaN的导带差和价带差都呈现增加趋势。此外，介质一侧的能带弯曲表明，La2O3在GaN表面引入负固定电荷，Al2O3引入正固定电荷，La2-xAlxO3（x=1左右）基本不引入电荷。基于能带研究结果，设计并制作了高性能15nmAl2O3/La2-xAlxO3/Al2O3叠层栅介质MOS-HE

8、MT器件，其饱和输出电流达到HEMT器件的2倍，I西安电子科技大学博士学位论文为1367mA/mm，正反向栅电流得到显著抑