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GaN基增强型器件及AlGaN/GaN二次生长的研究

作　者: 张琳霞
导　师: 张进成
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管仿真增强型二次生长
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

GaN基材料具有优良的特性，如宽的禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度以及能形成高迁移率、高密度的二维电子气，因此，基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）在高功率开关、微波放大器及高温集成电路方面有出色的应用潜力。AlGaN/GaN异质结构中因较强极化电荷的存在会形成天然的高密度二维电子气，通常制造的AlGaN/GaN HEMT器件都是耗尽型的，增强型AlGaN/GaN HEMT器件研制十分困难。十几年来针对GaN基电子器件的研究大部分工作都集中在耗尽型AlGaN/GaN HEMT器件上。但是增强型器件具有许多不可或缺的优势，在微波功率放大器和低噪声放大器等电路中因为减少了负电压源，从而大大降低了电路的复杂性以及成本，且AlGaN/GaN增强型HEMT器件在微波大功率器件电路中具有很好的电路兼容性；同时，增强型器件的研制使单片集成耗尽型/增强型器件的数字电路成为可能；而且，在功率开光应用方面，AlGaN/GaN增强型HEMT也有很大的应用前景。因此，近年来高性能AlGaN/GaN增强型HEMT器件的研究得到了极大的重视。本文从理论仿真和实验两方面对新型增强型GaN器件及该新型结构引入的二次生长问题进行了研究，主要工作如下：1.对槽型沟道AlGaN/GaN增强型HEMT进行了模拟仿真和结构优化，模拟结果显示，该器件获得了良好的阈值特性及电流特性，同时，该器件的阈值电压随着横向生长的AlGaN的厚度的增大而近似呈线性关系减小，说明该器件的阈值电压具有良好的调控性。2.对本文提出的非连续沟道增强型AlGaN/GaN器件进行模拟仿真和结构优化，仿真结果显示，该器件能够实现增强特性，且能获得高电流密度，同时也得到了较好的跨导特性。另外，该器件的阈值电压随着横向二次生长的GaN层的厚度的增大而轻微的增大，说明该器件的阈值电压具有一定的调控性。3.对ICP（Inductive Coupled Plasma）刻蚀后GaN材料的二次生长研究发现，刻蚀对样品造成的损伤导致样品的电学特性退化、表面形貌变差，且出现较强的缺陷诱导黄带发光，而二次生长有利于减小GaN的位错密度，但刻蚀损伤很大程度了阻碍了二次生长对位错密度的抑制作用。而对RIE（Reactive Ion Etching）刻蚀的研究发现，RIE刻蚀同样引入了损伤，使样品的表面形貌变差，也削弱了二次生长对位错密度的抑制作用，但是相对ICP刻蚀，RIE刻蚀后二次生长的样品电学特性较好且无缺陷引入导致的黄带发光现象，说明RIE刻蚀后的二次生长相对ICP刻蚀有较大优势。4.对RIE刻蚀损伤及AlGaN/GaN的二次生长进行研究，为了减小刻蚀损伤，实验中对刻蚀样品做了退火处理。实验结果显示，刻蚀会对GaN材料样品表面造成较大的损伤，通过适当的退火处理能够将使损伤得到一定程度的修复；二次生长这一过程能够有效的改善样品的表面形貌，这一改善在经退火处理后二次生长的样品上表现的尤为明显；刻蚀损伤使样品的位错密度增大，而退火能在一定程度上减小该损伤，且二次生长能够有效的降低样品的位错密度，说明实验过程中引入的退火能有效降低刻蚀损伤且对二次生长产生有利影响。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-21
  1.1 GaN 基异质结材料的优势及应用  11-13
    1.1.1 GaN 基材料的优势和特点  11-12
    1.1.2 GaN 基材料的应用  12-13
  1.2 GaN 基材料的生长工艺  13-18
    1.2.1 GaN 晶体薄膜外延生长技术概述  13-16
    1.2.2 GaN 晶体薄膜外延生长的衬底材料  16
    1.2.3 MOCVD 技术生长 GaN 晶体薄膜  16-18
  1.3 增强型器件研究现状  18-20
  1.4 本文主要工作与安排  20-21
第二章 AlGaN/GaN基本理论及相关的表征方法  21-31
  2.1 AlGaN/GaN 异质结概述  21-25
    2.1.1 AlGaN/GaN 异质结的极化效应  21-22
    2.1.2 AlGaN/GaN 异质结的二维电子气（2DEG）  22-23
    2.1.3 AlGaN/GaN 结构设计  23-24
    2.1.4 AlGaN/GaN 器件基本参数  24-25
  2.2 半导体材料表征  25-29
    2.2.1 原子力显微镜（AFM）  25-26
    2.2.2 光致发光谱(PL)  26
    2.2.3 高分辨率 X 射线衍射仪（HRXRD）  26-27
    2.2.4 电容-电压（C-V）  27-29
  2.3 本章小结  29-31
第三章增强型AlGaN/GaN器件的模拟研究  31-49
  3.1 AlGaN/GaN 异质结二维电子气的模拟  31-33
  3.2 槽型沟道 AlGaN/GaN 增强型 HEMT 的模拟  33-39
    3.2.1 模拟采用的器件结构  33-34
    3.2.2 器件工作原理  34-35
    3.2.3 槽型沟道器件仿真结果及分析  35-39
  3.3 非连续沟道的增强型 AlGaN/GaN 器件的模拟  39-46
    3.3.1 模拟采用的器件结构  39-40
    3.3.2 器件工作原理  40-41
    3.3.3 仿真结果分析  41-46
  3.4 本章小结  46-49
第四章 GaN基异质结材料的二次生长研究  49-65
  4.1 引言  49
  4.2 ICP 及 RIE 刻蚀后的二次生长研究  49-58
    4.2.1 样品制备  49-50
    4.2.2 ICP 刻蚀以及刻蚀后的二次生长的研究  50-56
    4.2.3 RIE 刻蚀以及刻蚀后的二次生长的研究  56-58
  4.3 退火处理降低刻蚀损伤和提高二次生长质量的研究  58-63
    4.3.1 样品制备  58-59
    4.3.2 实验结果分析  59-63
  4.4 本章小结  63-65
第五章结束语  65-67
致谢  67-69
参考文献  69-75
攻读硕士期间研究成果与获奖情况  75-77

GaN基增强型器件及AlGaN/GaN二次生长的研究

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