氮化镓/硅复杂界面结构异质结的光伏效应

采用宽带隙半导体材料或减小p-n结漏电流密度是增加开路电压以提高太阳能电池光电转换效率的重要途径。氮化镓(GaN)是一种具有直接带隙的宽带隙化合物半导体材料,并已在光电器件领域得到广泛应用。以通过水热腐蚀制备的、具有优异宽波段光吸收性能的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为功能性衬底,采用化学气相沉积法制备了一种具有复杂界面结构的异质结GaN/Si-NPA,并以此为基础制备了器件结构为ITO/GaN/Si-NPA/sc-Si/Ag的太阳能电池原理性器件。在AM 1.5的模拟太阳光照射下,电池的开路电压达到1.94 V,短路电流密度0.07 mA/cm2,填充因子73%,电池光电转换效率0.1%。对实验结果的分析表明,电池效率较低的原因是较大电池串联电阻导致了较小短路电流密度。本研究为制备具有更高开路电压的高效太阳能电池提供了一种可能的新途径。.

分子束外延AlGaN/GaN异质结场效应晶体管材料

用自组装的氨源分子束外延 (NH3-MBE)系统和射频等离子体辅助分子束外延 (PA-MBE)系统在 C面蓝宝石衬底上外延了优质 Ga N以及 Al Ga N/Ga N二维电子气材料。Ga N膜 (1 .2 μm厚 )室温电子迁移率达3 0 0 cm2 /V· s,背景电子浓度低至 2× 1 0 1 7cm- 3。双晶 X射线衍射 (0 0 0 2 )摇摆曲线半高宽为 6arcmin。 Al Ga N/Ga N二维电子气材料最高的室温和 77K二维电子气电子迁移率分别为 73 0 cm2 /V·s和 1 2 0 0 cm2 /V· s,相应的电子面密度分别是 7.6× 1 0 1 2 cm- 2和 7.1× 1 0 1 2 cm- 2 ;用所外延的 Al Ga N/Ga N二维电子气材料制备出了性能良好的 Al Ga N/Ga N HFET(异质结场效应晶体管 ) ,室温跨导为 5 0 m S/mm(栅长 1 μm) ,截止频率达 1 3 GHz(栅长 0 .5μm)。该器件在 3 0 0°C出现明显的并联电导 。

势垒层Al组分呈台阶梯度的AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管

设计并制备了AlGaN势垒层中Al组分呈线性梯度分布和呈台阶梯度分布的AlGaN/GaN结构材料及其异质结构场效应晶体管(HFET),测试了基于两种结构材料的HFET器件性能。分析发现,两种结构HFET的阈值电压分别为-9.5和-3.2 V,在1 V栅偏压下,峰值漏极电流密度分别达到684 mA/mm和600 mA/mm,峰值跨导分别达到102 mS/mm和167 mS/mm。通过分析随机半径上的峰值跨导分布发现,对于势垒层Al组分呈台阶梯度分布的AlGaN/GaN异质结构,由于每个AlGaN台阶层都是独立的,并且在外延过程中可以独立控制生长,其外延材料的方块电阻和HFET峰值跨导的相对标准偏差分别低至0.71%和0.7%,优于势垒层Al组分呈线性梯度分布的AlGaN/GaN结构及其HFET,这对后续规模化应用时的工艺控制和均匀性控制提供了便利。AlGaN/GaN台阶梯度异质结构的分层生长模式更有利于每层的独立优化。这种台阶梯度结构有望促进GaN器件在无线通信领域的规模化应用。

用异质结构控制GaN阴极电子发射

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了GaN异质结构上偏压变化时异质结电场的变化。发现异质结量子阱能把外电场屏蔽在异质界面以外。利用这种异质结量子阱的屏蔽效应,可以使外电场都降落在异质结表面来控制表面势。为了把表面电势剪裁成半导体阴极所需的陡直下降的电势结构,进一步深入研究了双势垒异质结的电场结构,发现外面的异质结能屏蔽里面异质结的势垒。利用这种双势垒异质结的屏蔽效应设计出可由偏压直接控制电子亲合势的异质结构,从而为半导体阴极开辟出一条新的研究途径。

GaN基HFET中极化诱导二维电子气和电流崩塌效应

从纤锌矿GaN的晶体结构和微电子学理论出发,介绍了GaN基HFET中两种极化效应的物理机制,分析了二维电子气(2DEG)的形成,极化与2DEG浓度的关系以及提高2DEG浓度的方法。列举了三种典型的电流崩塌效应,分别介绍了其成因和抑制方法,并对各种抑制电流崩塌的方法进行了比较。

GaN HFET中的陷阱和局域电子气

研究了GaN HFET中陷阱的各种行为,发现许多特性不能简单地用陷阱中心俘获带内电子模型来解释。从内、外沟道陷阱密度的巨大差异推出外沟道高密度陷阱不是由陷阱中心俘获带内电子产生的。通过自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程发现栅-漏间隙中的强场峰在其两侧产生巨大能带畸变,使部分二维电子气不能通过强场峰而形成局域电子气。运用这一局域电子气新概念解释了目前实验中观察到的各类陷阱实验,说明目前陷阱研究把高密度局域电子气误认为"陷阱"而引入的各种误解。提出了从局域电子气研究来解决GaN HFET电流崩塌和可靠性难题的新途径。

GaN HFET沟道层中的慢输运电子态和射频电流崩塌

从电极偏置环境、二维异质结能带及沟道电子状态的研究出发,发现了沟道中存在具有不同输运特性的高能正常电子和低能慢电子,建立起新的慢电子电流崩塌模型。在器件射频工作中通过正常输运电子到慢电子的转换过程解释了射频电流崩塌行为。沟道中的慢电子是产生射频电流崩塌的真正缘由。运用这一慢电子电流崩塌模型解释了目前用耗尽模型不能解释的大量实验结果。最后提出了通过异质结构优化设计来消除慢电子,解决电流崩塌难题的新途径。

一种考虑自热效应的AlGaN/GaN HEMT大信号模型

当AlGaN/GaN HEMT输出高功率密度时,器件沟道温度的升高将引起电流的下降(自热效应)。提出了一种针对AlGaN/GaN HEMT改进的大信号等效电路模型,考虑了HEMT自热效应,建立了一种改进的大信号I-V特性模型,仿真结果与测试结果符合较好,提高了大信号模型的精度。

GaN HFET沟道中的强场峰和背势垒

研究了背势垒、场板电极、电流崩塌、短沟道效应及源-漏穿通等GaN HFET的热点课题及其关联。高漏压下沟道阱中的强场峰和背势垒的相互作用是决定上述热点课题的关键。介绍、分析了目前国外用Silvaco有限元经典模拟软件计算的结果,发现这些理论计算的能带都向缓冲层末端倾斜,电子从沟道阱转移到缓冲层末端,不能用来研究上述课题和进行器件优化设计。提出了新的量子模拟理念,用沟道阱的量子限制解开了上述难题。量子模拟结果解释了上述课题的实验结果及其关联,有望从沟道强场峰和背势垒的相互作用研究中优化设计出高漏压工作的大功率、高效GaN HFET。

通孔结构Si衬底AlGaN/GaN HFET的热特性模拟

使用有限元软件ANSYS,对通孔结构Si衬底Al GaN/GaN HFET进行了热特性模拟。首先,根据器件结构建立了以栅极为热源的分析模型。然后,通过改变衬底材料、衬底厚度、栅间距以及通孔深度,分别研究了两栅指结构HFET的峰值温度和热阻。最后,对由两栅指结构扩展得到的多栅指结构HFET进行了模拟。结果表明,衬底材料、衬底厚度、栅间距和通孔深度对器件的热特性均有明显的影响,选择合适的参数有利于改善器件的性能;当栅指数目增加时,器件的峰值温度增大,散热趋向于困难。

GaN HFET中的耦合沟道阱

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了GaN异质结构中的耦合沟道阱,求出了耦合沟道阱中电子状态随异质结构的变化,发现通过适当的能带剪裁可以使基态子带和激发态子带分别落在主阱和副阱中,从而显著降低了子带间的散射。使用这种新颖的耦合沟道阱完成了低噪声HFET的优化设计。

GaN HFET沟道中的电子状态转移和非线性研究

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了大栅压摆动下的沟道电子状态,发现高栅压下电子波函数向势垒层的渗透和激发子带向势垒层的转移是导致跨导下降、线性变差的主要原因。分别研究了势垒层和沟道结构对波函数渗透和电子态转移的影响。通过势垒层和沟道结构的综合设计获得了在大栅压摆动下保持高跨导和线性的优化结构。提出了剪裁二维能带结构的新工艺方案。

AlGaN/GaN异质结中极化效应的模拟

提出了一种将极化效应引入GaN基异质结器件模拟中的方法. 在传统器件模拟软件中, 通过在异质结界面插入d 掺杂层, 利用其离化的施主或受主充当极化产生的固定电荷从而引入极化效应. 模拟了 Ga面生长和 N面生长的AlGaN/ GaN单异质结, 结果显示只有前者在异质结界面有载流子限制效应, 而后者没 有; Ga面生长的AlGaN/GaN异质结界面处自由电子面密度随Al组分以及AlGaN的厚度增加而增加. 以上模拟结果与其他报道中的实验以及计算结果一致, 说明该方法可有效地将极化效应引入GaN基异质结器件的模拟中.

GaN基HFET的新进展

回顾了氮化镓 ( Ga N)基异质结场效应晶体管 ( HFET)的发展 ,概述了它的直流和微波特性。制作氮化镓基 HFET可以采用不同的器件结构 ,不同的结构有各自的优点 ,对器件性能有很大影响。多数器件采用了其中两种比较成熟的结构 。

AlInN三明治势垒GaN HFET

介绍了国际上AlInN势垒HFET的最新发展。从器件性能分析中发现这种新势垒显著提高了沟道电子气密度,增大了强场漂移速度,消除应变提高了器件可靠性和热稳定性,能在高温下有效工作,使GaN HFET研究走上新的台阶。但是薄势垒引起的大栅流和电流崩塌是阻碍器件性能提高和实际应用的主要瓶颈。利用AlInN/AlGaN异质界面的大能带带阶和强极化电荷来剪裁能带,设计出新的三明治势垒,满足内、外沟道和欧姆接触势垒的要求。可望消除上述瓶颈,使AlInN势垒GaN HFET付诸实用。

用于功率变换的高击穿增强型AlGaN/GaN HEMTs

首次采用CF4等离子体技术实现可用于功率变换的增强性AlGaN/GaN功率器件。实验结果表明,当AlGaN/GaN器件经功率150W和时间150s等离子体轰击后,器件阈值电压从-4V被调制约为0.5V,表现为增强型。当漂移区LGD从5μm增加到15μm,器件的击穿电压从50V迅速增大到400V,电压增幅达350V。采用长度为3μm源场板结构将器件击穿电压明显地提高,击穿电压增加约为475V,且有着比硅基器件更低的比导通电阻,约为2.9mΩ.cm2。器件模拟结果表明,因源场板在远离栅边缘的漂移区中引入另一个电场强度为1.5MV/cm的电场,从而有效地释放了存在栅边缘的电场,将高达3MV/cm的电场减小至1MV/cm。微波测试结果表明,器件的特征频率fT和最大震荡频率fMAX随Vgs改变,正常工作时两参数均在千兆量级。栅宽为1mm的增强型功率管有较好的交直流和瞬态特性,正向电流约为90mA。故增强型AlGaN/GaN器件适合高压高频大功率变换的应用。

GaN HFET的大信号射频工作模型

分析了GaN HFET大信号工作特性随器件漏压、栅压、栅长和工作频率变化的实验特征,发现器件的射频输出功率和功率附加效率随频率升高、漏压增大和栅长缩短而下降的规律及在3mm波段短栅长的高截止频率场效应管没有输出功率的现象。从场效应管电极边界条件出发导出了势垒层的解析表面势及其微商,研究了表面势随漏压、栅压和栅长的变化。通过自洽能带计算求出了不同漏压、栅压和栅长下的能带和电子状态。研究了GaN HFET射频工作中产生的能带畸变。从不同漏压、栅压和栅长变化下的能带畸变出发,提出了沟道电子状态随栅压、漏压和栅长变化的GaN HFET大信号射频工作模型。用此大信号模型解释了实验中观察到的高频、大功率器件特性及3mm瓶颈。提出了研发大功率GaN HFET的新见解。

AlGaN/GaN HFET的优化设计

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发研究了不同掺杂方式下异质结能带和二维电子气的行为。发现掺杂能剪裁异质结能带的弯曲度、控制电子气的二维特性和浓度。在此基础上研究了不同掺杂方式的掺杂效率。通过掺杂和势垒结构的优化设计,得出了用δ掺杂加薄AlN隔离层的结构,既提高了电子气浓度,又保持电子气的强二维特性。从电子气浓度和栅对电子气的控制力度出发,提出了HFET势垒优化设计中的电子气浓度与势垒层厚度乘积规则。依据二维表面态理论,研究了表面态随帽层掺杂结构的变化。从前述乘积规则和表面态变化出发进行了内、外沟道异质结构的优化设计。优化结构既提高了电子气浓度和跨导,降低了欧姆接触电阻,又抑制了电流崩塌。

AlGaN/GaN HFET的2DEG和电流崩塌研究(Ⅰ)

从不同的视角回顾和研究了AlGaN/GaN HFET的二维电子气(2DEG)和电流崩塌问题。阐述了非掺杂的AlGaN/GaN异质结界面存在2DEG的原动力是极化效应,电子来源是AlGaN上的施主表面态。2DEG浓度与AlGaN/GaN界面导带不连续性、AlGaN层厚和Al组分有密切关系。揭示了AlGaN/GaN HFET的2DEG电荷涨落受控于表面、界面和缓冲层中的各种缺陷及外加应力,表面空穴陷阱形成的虚栅对输入信号有旁路和延迟作用,它们导致高频及微波状态下的电流崩塌。指出由于构成电流崩塌因素的复杂性,各种不同的抑制电流崩塌方法都存在不足,因此实现该器件大功率密度和高可靠性还有很长的路要走。

GaN HFET的综合设计

从自洽求解薛定谔方程和泊松方程出发,研究了负极化电荷在强化沟道阱量子限制和能带剪裁中的作用。优化设计负极化电荷的位置后给出了新的复合势垒设计。提出了新的动态电流崩塌模型和二维异质结构概念,把原位Si3N4钝化和复合势垒结合起来实现二维异质结构。用AlGaN/AlInN复合势垒解决了AlInNHFET中的欧姆接触电阻大和沟道不易夹断两大难题。通过能带剪裁和二维异质结构设计完成了包含钝化、场板电极、挖槽、薄势垒欧姆接触、GaN帽层和AlN插入层等方案优点的新综合设计。