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AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的实验研究

作　者: 马香柏
导　师: 任红霞；郝跃
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 HEMT 电流崩塌热电子应力大电场应力场板
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 50次
引　用: 3次
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内容摘要

AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)由于击穿场强大、电子峰值速度高和电子面密度大等优点,在微波大功率应用方面,已经得到广泛的关注。尽管AlGaN/GaN HEMT表现出了优异的性能,仍然有一些问题需要研究,例如电流崩塌、自热效应引起的温度升高以及高温下的传输特性。在这些问题罩面,电流崩塌问题是亟待研究的,因为它已经限制了AlGaN/GaN HEMT的微波输出功率。本文通过实验,研究了GaN HEMTs电流崩塌现象。主要研究工作和成果如下：1.为了获得高漏极功率转换效率,应用中AlGaN/GaN HEMT通常工作在B或AB类状态,这时的直流柵偏压接近丌启电压。如果在柵上加上交流信号,%s和%s半个周期内,器件处于饱和区(对应于交流信号的工F半周)。在此期间,沟道电流很大,栅漏电压较小,以热电子应力为主。在交流信号负半周,器件工作在关态,沟道电流极小,栅漏电压很大,器件在这半个周期相当于受到大电场应力。AlGaN/GaN HEMT交流大信号工作时,每个周期内热电子应力和大电场应力交替作用。因此,这两种应力下的器件电流崩塌特性最值得深入研究。研究表明,不同电应力条件下,导致漏电流崩塌和最大跨导下降的物理机制不同。在大电场应力下,主要物理机制是栅隧穿电子填充表面态；而在热电子应力下,是沟道热电子填充邻近界面态。2.对直流和脉冲条件下电流特性进行了比较。实验发现,脉冲条件下的电流比直流下明显减少,且脉宽越小,崩塌现象越严重。这是因为当器件从夹断突然转向导通时,柵下沟道可以快速响应而丌启,而柵漏之间虚棚控制的沟道响应速度慢,导致器件开态以后,电流仍然有相当一部分未恢复,引起脉冲条件下的电流崩塌现象。3.对未钝化器件进行应力实验分析,观察到在应力条件下电流崩塌随时间的变化关系。本文也研究了应力以后器件缓慢恢复特性,发现应力后器件在70s左右才‘能达到稳态。本文采用能带传导模型解释了观察到的现象。4.由于AlGaN/GaN HEMT的几何结构以及很强的极化效应,柵漏区域的电场很大,以至于电子可以从柵隧穿到AlGaN表面。隧穿的电子在表面累积,导致柵下耗尽区的向漏端延伸,从而引起漏极电流的下降。本文采用应力测试方法,研究了未钝化、钝化以及场板三种结构的AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌程度。实验结果表明,钝化隔断了电子从柵隧穿到AlGaN表面的通道、场板结构能够有效的降低柵边缘电场,均减少了电子从柵隧穿到表面陷阱的几率,从而使虚柵的作用减弱,有效地抑制了电流崩塌效应。5.关于紫外光照以及涂胶对电流崩塌的影响,本文也有研究。在紫外光照下,器件中产生了电子空穴对。空穴在AlGaN层高场的作用下运动到表面,中和了表面负电势；而电子则弥补了损失的二维电子气。然而,当紫外光撤除以后,电子空穴对会逐渐消失,在应力下仍然会继续产生电流崩塌的现象。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-22
  1.1 AlGaN/GaN HEMT研究进展  10-12
  1.2 AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌现象  12-18
    1.2.1 电流崩塌现象  12-13
    1.2.2 电流崩塌现象的解释模型  13-15
    1.2.3 减小电流崩塌的措施  15-18
  1.3 本文的结构和主要研究内容  18-22
第二章器件制造与器件特性  22-28
  2.1 器件材料与制造  22-25
    2.1.1 AlGaN/GaN HEMT材料生长  22-24
    2.1.2 AlGaN/GaN HEMT工艺  24-25
  2.2 器件特性与测量  25-27
    2.2.1 器件的直流特性与频率特性  25-26
    2.2.2 器件特性参数的测量  26-27
  2.3 本章小结  27-28
第三章应力对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的影响  28-50
  3.1 AlGaN/GaN HEMT的极化效应与表面态  28-33
    3.1.1 极化效应  28-30
    3.1.2 极化效应与表面态  30-33
  3.2 大电场应力对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的影响  33-38
    3.2.1 不同电场下的电流崩塌  34-35
    3.2.2 栅极脉冲测试  35-36
    3.2.3 电流崩塌瞬态分析  36-38
  3.3 大电场应力下电流崩塌的解释  38-44
    3.3.1 虚柵控制沟道电阻的模型  38-42
    3.3.2 脉冲条件下电流崩塌的解释模型  42-43
    3.3.3 电流崩塌的恢复瞬态分析  43-44
  3.4 热电子应力对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的影响  44-48
    3.4.1 实验方法和结果  44-46
    3.4.2 实验结果分析  46-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章 AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的改善  50-60
  4.1 钝化与场板结构对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的影响  50-55
    4.1.1 器件结构与工艺  50-51
    4.1.2 结果与讨论  51-55
  4.2 紫外光照对电流崩塌的改善  55-56
  4.3 涂胶对电流崩塌的改善  56-57
  4.4 本章小结  57-60
第五章结论  60-64
致谢  64-66
参考文献  66-72
攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目  72-73

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