AlGaN/GaN纳米异质结构中的二维电子气密度研究

本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构,研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明,随着势垒层厚度的逐渐增大,两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓,当达到40 nm后,由于表面态电子完全发射,2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加,极化效应逐渐增强,使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时,两者在异质界面处电势差增大,势阱加深,束缚电子能力加强,最终导致2DEG浓度逐渐增加,当掺杂浓度增加到2.0×10^(18)cm^(-3)后,2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比,纳米线结构可以实现更高的Al组分,在高Al组分之下,2DEG面密度最高可达5.13×10^(13)cm^(-2),相比于平面结构有较大的提高。

AlGaN/GaN异质结构欧姆接触的研制

研究了 Ga N高温宽禁带半导体外延层上欧姆接触的制备工艺 ,讨论了几种测试方法的优缺点 ,并根据器件制作的工艺兼容性 ,在 n-Ga N样品上获得了 4× 1 0 - 6 Ω·cm2的欧姆接触 ,在 Al Ga N/Ga N异质结构样品上获得了 4× 1 0 - 4Ω· cm2 的欧姆接触。实验结果表明 ,Al Ga N/Ga N上低阻欧姆接触的制备及其工艺兼容性是Ga N

AlGaN/GaN异质结构中二维电子气的高温输运性质

采用高温Hall测量仪对一个全应变和一个部分应变弛豫的AlGaN/GaN异质结构中2DEG的高温输运特性进行了研究,温度变化范围从室温到680K.研究结果表明:在高温段2DEG的迁移率主要受LO声子散射限制;在室温,异质界面处的非均匀压电极化场对2DEG迁移率的散射也是一个主要的散射机制.同时,计算结果显示,随着温度升高,更多的电子跃迁到更高的子带,在更高的子带,其波函数逐渐扩展到AlGaN层内部以及GaN体内更深的位置,导致LO声子散射的屏蔽效应减弱且来自AlGaN层内的合金无序散射增强.

AlGaN/GaN异质结材料的中子辐照效应

采用归一化能量1 Me V的中子脉冲反应堆对Al Ga N/Ga N异质结材料进行了辐照研究。实验发现,经1015cm-2注量的中子辐照后,异质结材料的二维电子气(2DEG)载流子浓度(ns)下降,而2DEG迁移率由于受到ns的调制作用略有增加,同时辐照导致的载流子浓度ns下降造成了沟道串联电阻的增加和异质结构阈值电压(VTH)的正向漂移。分析认为,辐照感生类受主缺陷是造成ns下降和阈值电压漂移的原因。原子力显微镜(AFM)和X射线衍射仪(XRD)的测试结果表明,辐照后材料的表面形貌有所恶化,材料应变基本不变,而材料的螺位错和刃位错密度辐照后都略有增加。此外,实验结果还表明初始材料质量越好,辐照退化越小。

8英寸Si衬底上高质量AlGaN/GaN HEMT结构的生长

在8英寸（1英寸=2.54 cm）的Si衬底上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长了高质量、无龟裂的GaN薄膜和Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）结构。通过调节应力调控层的结构,厚度为5μm的GaN膜层翘曲度低于50μm。采用X射线衍射（XRD）对GaN薄膜的（002）和（102）衍射峰进行扫描,其半峰全宽（FWHM）分别为182和291 arcsec。透射电子显微镜（TEM）截面图显示GaN外延层的位错密度达到了3.5×107/cm^2,证实了在大尺寸Si衬底上可以制作高质量的GaN薄膜。Al GaN/GaN HEMT结构的二维电子气浓度和载流子迁移率分别为9.29×10^12/cm^2和2 230 cm^2/（V·s）。基于这些半绝缘Al GaN/GaN HEMT结构所制作的功率电子器件的输出电流可达20 A,横向击穿电压可达1 200 V。

欧洲首次在200mm硅晶圆上生长出高质量的AIGaN／GaN异质结构

欧洲独立纳米电子研究中心IMEC与MOCVD设备供应商AIXTRON公司日前宣布，首次在200mm硅晶圆上成功生长出高质量高均匀性的AlGaN／GaN异质结构。 A1GaN／GaN异质结构在AIXTRON应用实验室中的300mm CRIUS MOCVD设备中生长得到，

基于GaN基HEMT结构的传感器件研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率,这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器,对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结;而后,着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度,阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展,其中,从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器;最后,探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。

高击穿电压AlGaN/GaN HEMT电力开关器件研究进展

作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表,GaN材料在各个应用领域的研究工作都受到了高度的重视。概述了基于AlGaN/GaN HEMT结构的新型高压、高频、低损耗电力开关器件的最新研究进展。从器件的结构特征入手,详细介绍了改善器件击穿特性的途径、高频开关特性的研究情况、Si衬底上AlGaN/GaN HEMT结构材料的生长、增强型器件的制备技术和功率集成电路的研究等几个国际上的热点问题。最后,对该项研究面临的问题及未来的发展趋势做了展望。

AlN插入层对AlGaN/GaN外延材料电学性能影响

采用MOCVD制备了带有Al N插入层Al Ga N/Ga N异质结构外延材料,对外延材料分别进行了原子力显微镜AFM、双晶XRD以及变温HALL测试。测试结果表明:具有Al N插入层的外延材料表面非常平整,10μm×10μm范围样品的表面均方根粗糙度RMS仅为0.302 nm,Al Ga N势垒层衍射峰更尖锐,材料结构特性良好,大大提高了Al Ga N/Ga N异质结的2DEG面密度和迁移率,280 K和300 K时沟道电子迁移率分别为4736 cm2/V·s和1785 cm2/V·s,比无Al N插入层的传统结构得到的结果分别提高了45.7%和23.4%。

选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究

高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷,影响器件的稳定性。首先,提出选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET,期望避免刻蚀对栅极沟道的损伤;再通过改进选择区域外延工艺(包括二次生长界面和异质结构界面的分离及抑制背景施主杂质),使得二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平。研究结果表明,选择区域外延方法能够有效保护栅极导通界面,使器件具备优越的阈值电压稳定性;同时也证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。

AlGaN/GaN横向肖特基势垒二极管抗浪涌电流特性与封装方案

基于AlGaN/GaN异质结构的横向肖特基势垒二极管(SBD)在新一代功率电子技术中具有应用潜力。而面对复杂电气环境中的电流过冲及振荡效应,抗浪涌电流能力是器件可靠工作的重要保障。首先通过对混合阳极结构的优化,降低了AlGaN/GaN基SBD的开启电压(0.22 V),并提高了器件正向导通能力;在此基础上,通过半正弦脉冲电流产生电路评估了器件的抗浪涌电流能力,发现采用引线键合封装的器件可承受的最大浪涌电流密度约为250 A/cm^(2),这一电流强度主要受限于肖特基电极边缘电流拥挤效应导致的热击穿。为提高近表面器件沟道的散热能力,采用了倒装的封装方式。实验证实倒装封装可以有效抑制热集聚效应,并提高器件的抗浪涌电流能力。

纤锌矿AlGaN/AlN/GaN异质结构中光学声子散射影响的电子迁移率

对含有AlN插入层纤锌矿Al_xGa_(1-x)N/AlN/GaN异质结构,考虑有限厚势垒和导带弯曲的实际异质结势,同时计入自发极化和压电极化效应产生的内建电场作用,采用数值自洽求解薛定谔方程和泊松方程,获得二维电子气(2DEG)中电子的本征态和本征能级.依据介电连续模型和Loudon单轴晶体模型,用转移矩阵法分析该体系中可能存在的光学声子模及三元混晶效应.进一步,在室温下计及各种可能存在的光学声子散射,推广雷-丁平衡方程方法,讨论2DEG分布及二维电子迁移率的尺寸效应和三元混晶效应.结果显示:AlN插入层厚度和Al_xGa_(1-x)N势垒层中Al组分的增加均会增强GaN层中的内建电场强度,致使2DEG的分布更靠近异质结界面,使界面光学声子强于其他类型的光学声子对电子的散射作用而成为影响电子迁移率的主导因素.适当调整AlN插入层的厚度和A1组分,可获得较高的电子迁移率.

GaN基材料和器件的质子辐照效应

由于综合性能优势,GaN基功率器件更适合于卫星电子系统等空间设备中射频功率放大模块的发展需求。因此,GaN基器件及材料的辐照效应研究显得尤为重要。通过对GaN基材料和器件进行质子辐照研究,可以发现,低注量辐照增加了GaN材料的载流子浓度和迁移率,降低了材料的串联电阻。此外,辐照增加了GaN的张应力,引起了材料表面形貌恶化,而对位错密度影响甚小。对于GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件,辐照发生在较高注量下,器件参数才发生较为明显的退化,而且阈值电压变化最为显著,分析认为,高注量辐照时,辐照感生受主缺陷造成的二维电子气(2DEG)浓度降低是上述器件退化的主要原因。

非故意掺杂与半绝缘GaN缓冲层上的AlGaN/GaN异质结构的高温电子输运特性

研究了非故意掺杂(UID)与半绝缘(SI)GaN缓冲层(BL)上的Al0.35Ga0.65N/GaN异质结构高温下的电子输运特性,应用Hall效应系统地测量了样品在高温下的电子面密度和电子迁移率随温度变化的关系.实验发现,高温下AlGaN/GaN异质结构的电子迁移率主要受到LO声子散射的作用,其中,UID-BL样品的电子面密度随温度升高而逐渐上升,SI-BL样品的电子面密度则随温度升高呈现先下降再平衡后上升的规律.对相应的未生长AlGaN势垒层的本征GaN薄膜的高温电阻特性分析表明,随着温度的升高,UID-BL样品的电子迁移率受到背景载流子的影响逐渐增大;SI-BL样品的电子迁移率在室温附近受附加位错散射的影响较大,600K以后受背景载流子的影响缓慢增强,这对于研究AlGaN/GaN异质结构器件的高温特性具有很好的参考意义.另外,由理论计算可知,高温下二维电子气(2DEG)逐渐向势垒层和缓冲层内部扩展,电子在第一子带的占据从室温下的86%下降到700K时的81%.

极化效应对AlGaN/GaN异质结p-i-n光探测器的影响

基于等效薄层电荷近似模拟表征极化电荷的作用,通过自洽求解Poisson-Schrodinger方程以及求解载流子连续性方程,计算并且讨论了p-AlGaN层掺杂浓度和界面极化电荷对AlGaN/GaN异质结p-i-n紫外探测器能带结构和电场分布以及光电响应的影响.结果表明,极化效应与p-AlGaN层掺杂浓度相互作用对探测器性能有较大影响.其中,在完全极化条件下,p-AlGaN层掺杂浓度越大,p-AlGaN层的耗尽区越窄,i-GaN层越容易被耗尽,器件光电流越小.在一定掺杂浓度条件下,极化效应越强,p-AlGaN层的耗尽区越宽,器件的光电流越大.最后还分析了该结构在不同温度下的探测性能,证明了该结构可以在高温下正常工作.