2014-AlGaN-GaN異質結構場效應晶體管的I-V特性研究-修改版解析

#學號:1410160n73褊）掰南理工干吃HunanIn&ti拉姆ofScienceandTechnoiag/畢業(yè)設計（論文）目：異質結場效應晶體管的特性研究目：異質結場效應晶體管的特性研究作者彭坤屆別2014學院物理與電子學院專業(yè)電子科學與技術指導老師文于華職稱講師完成時間2014.05摘要GaN基電子器件最重要的代表之一是AlGaN/GaN異質結場效應晶體管，這是因為它具有高飽和電流、比較高的跨導和較高的截止頻率與很高的擊穿電壓等獨特的物理性質。該論文正是以AlGaN/GaN異質結的基本物理特性作為研究基礎來研究AlGaN/GaN異質結構場效應晶體管的I-V特性。在考慮到AlGaN/GaN異質結中的自發(fā)極化與壓電極化效應的物理現(xiàn)象基礎上，采用二維物理分析模型計算AlGaN/GaNHEMT器件的I-V特性，得到了較滿意的結果。關鍵詞：AlGaN/GaNI-V特性場效應晶體管，截止頻率。AbstractOneofthemostimportantelectronicdevicerepresentativeoftheGaN-basedAlGaN/GaNheterostructurefieldeffecttransistor,becauseithasahighsaturationcurrentsandhightransconductanceandahighcutofffrequencyofthehighbreakdownvoltage,andotheruniquephysicalproperties.ThepaperisthebasicphysicalcharacteristicsofAlGaN/GaNheterostructuresasaresearchfoundationtostudytheIVcharacteristicsofAlGaN/GaNheterostructurefield-effecttransistor.Basicphysicalphenomenaofspontaneouspolarizationandpiezoelectricpolarizationeffects,takingintoaccounttheAlGaN/GaNheterostructuresontheanalysisoftwo-dimensionalphysicalmodelAlGaN/GaNHEMTdeviceIVcharacteristicsobtainedsatisfactoryresults.Keywords:AlGaN/GaN;IVcharacteristics;field-effecttransistor,thecutofffrequency.目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 2\o"CurrentDocument"Abstract 3\o"CurrentDocument"目錄 4\o"CurrentDocument"第1章緒論 5GaN材料的物理特性 5\o"CurrentDocument"GaN材料與電子器件的優(yōu)勢及意義 6\o"CurrentDocument"國內外對本材料的研究動態(tài) 7\o"CurrentDocument"第2章Al(Ga)N/GaN異質結構的基本物理原理 8Al(Ga)N/GaN異質結構的形成 8AlGaN/GaN異質結中二維電子氣的產生機理 8\o"CurrentDocument"二維電子氣的分布 10\o"CurrentDocument"第3章Al(Ga)N/GaN場效應晶體管器件的電流-電壓(I-V)特性模型 11\o"CurrentDocument"3.1二維分析模型 11\o"CurrentDocument"第4章模擬結果圖與數(shù)值分析 14\o"CurrentDocument"4.1二維模型數(shù)值分析結果 14\o"CurrentDocument"第5章結束語與未來工作展望 155.1結束語 15\o"CurrentDocument"5.2未來的工作展望 15參考文獻 16\o"CurrentDocument"致謝 17第1章緒論GaN材料的物理特性GaN材料具有比較寬的直接帶隙，高的熱導性，化學性質很穩(wěn)定，因為其有強的原子鍵，所以化學性質很穩(wěn)定，因此很難被酸腐蝕，抗輻射能力也很強，所以它在高溫大功率器件和高頻微波器件研究應用方面領域有著極其廣闊的發(fā)展?jié)摿?。下面具體說明GaN材料四種特性，這四種物理特性分別是物理特性，化學特性和電學特性及其光學特性。(1)GaN材料物理特性GaN是一種物理性質和化學性質都很穩(wěn)定化合物，它堅硬又熔點高，而且還具有比較高的電離度，這在ni—v族化合物中排第一。因為有其較高的硬度，所以是比較好的涂層保護材料。GaN化學特性在室溫下，GaN化學性質非常穩(wěn)定，它在水、酸和堿中根本不會發(fā)生化學反應，但是在熱的堿溶液會溶解，只是溶解速度十分較慢。質量相對較差的GaN能在H2SO4,H3PO4和NaOH液中受到腐蝕，所以該性質可作為對GaN晶體品質方面缺陷的品質檢測。在高溫的氫氣或氯化氫氣體作用下，GaN就會展現(xiàn)出不穩(wěn)定的化學特性，但是和N2氣比較中，GaN應該算最穩(wěn)定之一的了。GaN電學特性電學特性是影響GaN器件物理特性的最主要的方面。在沒有摻雜時GaN基本都是呈N型，摻雜最好時，該樣品的電子濃度約等于4.0X1016/cm3。一般情況下制備的P型樣品，基本都是高補償?shù)?。GaN的最高遷移率結果在室溫和液態(tài)氮溫度下分別為Rn=600.0cm2/v?s和Rn=1500.0cm2/v?s,該情況下其相對應的載流子濃度分別為n=8.0義1015/cm3和n=4.0義1016/cm3。而且，采取P型摻雜的方法與Mg的熱退火處理方法，可以將摻雜的濃度掌握在1011?1020/cm3之間。GaN光學特性GaN其光學方面的特性，意在發(fā)光與激光器件制作的運用。Tietjen與Maruska最早測量的GaN直接隙的能量為3.38eV。同時也有其他的研究人員研究了GaN的溫度和帶隙之間的大致相互關系，初略的得出了一個帶隙溫度系數(shù)的公式：dE/dT=—6.0X10—4eV/k。為GaN的光學特性更好的應用在了科學領域。GaN材料與電子器件的優(yōu)勢及意義第一代半導體材料Si和第二代半導體材料GaAs廣泛地應用在功率和頻率器件中，而寬禁帶半導體GaN、SiC等材料，特別是GaN,是高功率、高頻率器件和高功率轉換效率器件的理想材料。目前GaN及其相關的材料(AlGaN)已經應用在高頻器件和照明器件中，在無線通信和LED產業(yè)中占有重要的地位。而在功率器件中GaN的作用也逐漸顯露，耐高溫高壓和大電流是未來GaN基功率器件的不變的目標。GaN器件主要有5大優(yōu)勢：電流密度大、耐壓高、能在高溫下工作、導通電阻小和開關速度快。這些優(yōu)勢是由于GaN材料具有大禁帶寬度、優(yōu)越的電學電子特征和相對比較穩(wěn)定的化學性質。GaN材料與其他重要的半導體材料的特征參數(shù)對比如表1-1所示:表1-2GaN材料與其他半導體材料的重要參數(shù)對比［1］⑵［引材料SiGaAsGaN4H-SiCAlN金剛石InPEg(eV)1.121.433.393.266.15.451.34ni(cm-3)1.5x10102.1x1061.9x10-108.2x10-9~10-311.6x10-273.3x107gr11.812.89.010.08.75.512.56Nn(cm2/Vs)13508000900700110019005400Ec(10V/cm)0.30.43.33.011.75.60.45v(107cm/s)sat1.02.02.52.01.82.72.0”(W/cmK)1.50.51.34.52.520.00.67其中，Eg為禁帶寬度，％為本征載流子濃度；^r為相對介電常數(shù)；以n為電子遷移E v ⑹率；Ec為臨界擊穿電場；vsat為飽和電子漂移速度；°K為熱導率。室溫下GaN的禁帶寬度達到3.4eV,是Si和GaAs的禁帶寬度的3倍；GaN的臨界擊穿電場是GaAs和Si的10倍左右。這使得GaN基器件能承受的電場強度高出Si基和GaAs基器件5?6倍左右。高電場強度就代表其有很高的擊穿電壓，由此可知GaN基器件通常情況下也會有很高的耐壓性質。在較低的電場環(huán)下，載流子的遷移率是電場強度關系曲線和漂移速度的斜率。而在較高的電場作用下漂移速度比遷移率更重要，GaN具有很大的飽和漂移速度，而且當達到這個飽和漂移速度需要的電場強度比GaAs所需的大了一個數(shù)量級。GaN基材料非常易于制作異質結，AlGaN/GaN異質結結構中二維電子氣的密度相對比較的高，一般可達到1013cm-2。氮化鎵作為基材料在非光電子應用方面也有較大的作用。以氮化鎵作為基材料制作的電子器件材料是比較好的。其相比其他半導體材料具有擊穿電壓高、較寬的禁帶、相對高的電子飽和速度。但是在兩種氮化物接觸表面處一般都會存在有比較高的二維電子氣面密度。另外氮材料的鍵能比較強，熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性比較高，因此GaN具有較高的熱導率。CaN形成很大的本征點缺陷，故而難以產生二次缺陷，對于大功率的器件以及高溫器件來說也是相當有利的。國內外對本材料的研究動態(tài)AlGaN/GaN異質結構材料體系，因為其在高溫，高頻，大功率等方面具有很優(yōu)秀的物理性質，所以在這方面的應用很廣泛，受到的關注也越來越多。該材料的研究已經成為了微電子研究領域的前沿和熱點。GaN材料的研究與應用是研制微電子器件和光電子器件的新型半導體材料；因為具有寬的直接帶隙，強的原子鍵，比較高的熱導率，化學性質比較穩(wěn)定，和抗輻照能力強。所以在光電子，高溫大功率器件，高頻微波器件等方面都具有良好的發(fā)展前景。GaN基器件應用一般分兩大類：電子器件和光電子器件。電子器件:氮化鎵基材料制作的異質結雙極晶體管(HBT)和異質結場效應晶體管(HFET)。光電器件：氮化鎵基材料做的發(fā)光管(LED)、激光器(LD)以及光電探測器。GaN基材料非常易于制作異質結，由于形成異質結的兩種半導體單晶體材料的介電常數(shù)、禁帶寬度、折射率、吸收率等物理參數(shù)有所不同，所以異質結表現(xiàn)出許多不同于同質結的性質。因此，利用異質結制作出的激光器、電子發(fā)光二極管、光電探測器、應變傳感器等，比用同質結制作的同類元件要優(yōu)越的多。氮化鎵基器件的發(fā)展在顯示、照明、信息存儲、光探測、航空航天以及軍事裝備等諸多方面已經并將繼續(xù)引起很大的作用。特別是GaN材料的外延技術的生長，得以快速的發(fā)展激光器件和發(fā)射器方面取得優(yōu)異的貢獻。第2章Al（Ga）N/GaN異質結構的基本物理原理Al（Ga）N/GaN異質結構的形成異質結：是由不同的兩種半導體單晶體的材料組成的；根據相應的半導體晶體材料的導電類型的不同，異質結構大概可分為如下兩類。（1）反性異質結反型異質結：它是由兩種不同的導電類型相反的半導體單晶體材料組成的異質結。比如，P型Al與N型GaN所形成的結就稱為反型異質結；并標記為p-nAl-GaN。如果異質結由N型Al與P型GaN形成，則記為（n）Al-（p）GaN。（2）同型異質同型異質結：它是由兩種不同的導電類型相同的半導體單晶體材料組成的異質結。比如，當P型Ga與N型N組成的結就稱為反型的異質結；并記為p-nGa-N。如果異質結由N型Ga與P型N形成，則記為（n）Ga-（p）N。異質結因材料過渡時的原子距離；分為突變的型異質結與緩變的型異質結。當從一種半導體的材料向另外一種半導體材料過渡時；只存在在幾個原子的距離及其范圍內，這種稱為突變的異質結。如果出現(xiàn)在幾個擴散的長度區(qū)間內，那么稱為緩變的異質結。AlGaN/GaN異質結中二維電子氣的產生機理PspPpeAlxGa1-xNEv v十--H一一PspI GaN圖 面異質結極化圖如圖2-1所示，由于極化效應（PSP為自發(fā)極化，PPE為壓電極化），在AlGaN的上、下表面正、負電荷，正電荷與負電荷生成偶的極子，生成自下向上表面的的電場。極化的電荷產生了電場，故在AlGaN層內屬常數(shù)。上面和下面極化的電荷不是2DEG的電荷，2DEG的生成要別的因數(shù)。用兩種情況分析：

(1)理想的表面沒有表面態(tài)的表面，則稱作理想的表面。隨著AlGaN層的生長，表面的電勢能慢慢遞增，因為費米能級位于GaN導帶下面，未產成2DEG。隨厚度處于臨界厚度時，費米能級與AlGaN價帶底相平，此時在AlGaN上表面隨著空穴的堆積產成二維空穴氣(2DHG)，這樣2DEG出現(xiàn)在異質結的交界面。由于2DHG的存在，當AlGaN的厚度繼續(xù)在遞增時，正是這層正的表面電荷的存在，阻止表面電勢的再次的遞增，在一定范圍內2DEG濃度與厚度成正遞增。(2)存在的表面態(tài)此情況的2DEG產生與理想表面的相似；隨著AlGaN層的生長費米能級在厚度達到臨界后也升到表面態(tài)深能級位置；隨著表面態(tài)電離開始，2DEG在異質結的交界面處出現(xiàn)。AlGaN層厚度繼續(xù)遞增，費米能級由于表面態(tài)的作用被鉗制在表面態(tài)能級的位置，表面態(tài)再次電離，2DEG濃度遞增。然而非理想的表面，表面態(tài)形成類施主，出現(xiàn)正電荷。此電離的類施主是與2DEG同時出現(xiàn)，且存在同時?！皉)2a(0a“r)2a(0a-(:0(x)0PPExe(2-1)/ 、 /、C(x)—e(x)—4331 33 C33|O(x)|二其中R為AlGaN層應變弛豫度,a和a0分別為GaN和AlxGa1-xN的晶格常數(shù),e31和e33,C13和C|O(x)|二b、自發(fā)極化三種氮化物的自發(fā)極化數(shù)值表材料AlNInNGaNPsp(C/m2)-0.081-0.032-0.029晶格常數(shù)a/nm0.31120.57050.5185c、界面固定極化電荷的計算(2-2)(2-3)P(AlGaN)+P(GaN—(2-2)(2-3)PEx1-x SP SPna(0)-a(x)[ /、 /、C(x)]八/、n小\2 <e(x)-e(x)_13 >+P(x)-P(0)a(x) 31') 33''C(x)ISP、)SP、)3 33J~、二維電子氣面密度的計算

[『(de2[『(de2'AlGaNle0(x)+E(x)-b F(2-4)g(x)為AlxGa1-xN的相對介電常數(shù)，口人9刎為人(Ga1-xN的厚度，e①b為肖特基勢壘高度，EF(x)為相對于GaN導帶底能量的費米能級，AEc為異質結兩種材料的導帶不連續(xù)量。2.3二維電子氣的分布由于AlGaN/GaN異質結構中存在自發(fā)極化和壓電極化效應及由其在表面和界面處產生的束縛面電荷，在表面鄰近還有電荷吸附層，是一個較為復雜的系統(tǒng)，因此在計算其能帶和二維電子氣的分布，需要編制相應的軟件用數(shù)值方法計算。以下給出薛舫時關于GaN異質結的二維表面態(tài)中的計算結果⑶。計算所取的AlGaN/GaN應變異質結構有Al組成為0.3,厚度為30nm的AlGaN/GaN和較厚的GaN層組成，表面吸附正電荷層厚度為2nm。從圖2.2可看到在圖中對應AlGaN/GaN區(qū)的左邊確實有一高度約1eV的圖2.2熱平衡狀態(tài)下的AIGaN—GaNHFET能帶圖第3章Al(Ga)N/GaN場效應晶體管器件的電流-電壓(I-V)特性模型3.1二維分析模型眾所周知，器件的物理模型對理解器件的特性和進行器件設計十分重要，器件模擬可以是一維的或二維的.我們選用準二維的方法，對A1GaN/GaN材料HEMT器件的I-V特性進行模擬，這種方法的優(yōu)點是計算量小，物理意義直觀；缺點是模型簡單，只考慮了漂移作用，忽略了擴散作用.但仍然可以定性的說明HEMT器件的工作原理，下圖就是該二維模型的圖Fig.1Fig.1.SchematicdiigraniofanAKiaN/CitiNHEMT.dVdV(x)KTdn(m,x)_o__+_B s_ )dxqdxhemt溝道中x位置電流密度表示為(1)I(mx)=Wq^(x,m)(n(mx)ds s一 / 、 N(m)遷移率表示為(2) N(x,m)=7———v； 0:7石——、小7…八、1+((N(m)E一v)/Ev)(dV(x)/dx)0 csatcsatc溝道載流子濃度表示為(3)n(m,x)=s

i(m) (V -v-v(x))q(d+d+Ad) gsthcdi電勢邊界條件為(電勢邊界條件為(4) V(x)c=I(m,x)R

x=0ds s=V一I(m,x)(R+R)x=0 dsds sd對常量參數(shù)做如下定義H二V-Vgsgsth-H二V-VgsgsthsatcsatKT—Bq，八w w從(m)￡(m)G= o 0(d+d+Ad)

di將方程(2)、(3)代入(1)化簡得1 dV(x)I(x)=G i-iV(((V,—V(x))—c ds0 1dV(x) gg cdx1+ c Edx方程(8)整理得1I(x)dx=(—GV(x)+GV'—(I/E))dV(x)ds 0c 0gsds1c利用式(4)的邊界條件對式(9)進行積分，以及溝道中電流處處相等(Ids)得TOC\o"1-5"\h\zI(L—0)=—G0((V⑷”—(Vc⑼")+(GV—(I/E))(V(L)—V(0))ds 2 0gsds1c c整理成關于Ids的一元二次方程的形式(11)九I2+xI+4=01ds2ds3. 2R+RG c(12)九二一5 d—笠((R)2+2RR)1E 2d sd, V(13)入=G((V(R+R)—V'(2R+R))—L—3)0dssd gs 5d E1/ (V)2、14)九=G(V'V—LA)3 0gsds2故電流Ids由下式獲得(15(15)Ids-九+、；’（九）2—4九九2 2 13飽和電壓Vdsat的計算(16)IE——cdsat 0(d+d+Ad)di(V' —V)Egsdsatc討論：根據電流表達式(8),假設電場達到飽和電場時電流開始飽和，有一(V'—V)EgsdsatsatEsatTOC\o"1-5"\h\z一(V'—V)EgsdsatsatEsatI(%)=G 1dv(、(Vgs-V(%))c— I(%)=G一ds 01,^dV(%) gscd%ds 0， 1Ed% 1+vr一B+、：一B+、：(B)2-4pp= 2 二 2 1-32P

1按照文中給出的飽和電流代入(11)式中計算飽和電壓，同樣有(17)Vdsat線性區(qū)(linearregion)與飽和區(qū)(saturationregion)分界點位置為：x=L1橫向電場為:dV/dx=E0電流為：Ids=Ic橫向電壓為V(%)c根據(9)式可得(21)竺衛(wèi)= U% d% (一GV(%)+GV-(I/E))/ 0c 0gs ds1故(22)E= c 故(22)0G(-V+V')-(I/E))0Lgsc1所以橫向電壓表示為(23)V=V'-(^匚+-^)I=V'-pILgsEGEGcgscTOC\o"1-5"\h\z00 10根據(9)式x在0-L1之間積分得/2 G((V)2-(V(0))2)(24)I(L-0)=-0 L1一「' )+(GV -(I/E))(V-V(0))ds1 2 0gsds1 L] c電勢邊界條件為V(%)| =I，Rc %=0 dssGV1_ / 、、求解L1得(25)L=(^^s--—)(V'-(p+R)I)IE gs sdsds 1G(V')2=7_('gs—+(p+R2)I-2pV')I 2sds gsds另外，可獲得飽和區(qū)域長度L2(26)L1+L2=L

第4章模擬結果圖與數(shù)值分析4.1二維模型數(shù)值分析結果由第三章的二維分析模型，結合Excel的分析得到數(shù)據模擬圖(EE/4E)luBno(EE/4E)luBno可以看出隨著電壓的的不斷增加，電流就趨于飽和，上圖給出了，匕=1.5,-0.5,-2.5,45v數(shù)據圖。下圖給出了當匕=1.5時的模擬出來的圖和實驗實際得到的圖的差距---

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76V=1.5V一G---

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76V=1.5V一G一a一

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54-ooooOoooO3211??一模擬結果——實驗數(shù)據I'I1I1I1I1I1I1I1I1I24 68101214161820Bias(V)第5章結束語與未來工作展望結束語通過查閱大量的課題相關文獻和資料對Al(Ga)N/GaN異質結構材料的物理特性模擬，認識到AlGaN/GaN異質結材料及器件的基本特性;Al(Ga)N/GaN異質結構的形成；以及Al(Ga)N/GaN異質結構的基本物理原理，包括AlGaN/GaN異質結中二維電子氣的產生機理，二維電子氣的分布，然后通過對Al(Ga)N/GaN材料HEMT器件優(yōu)化分析，用準二維方法模擬I-V特性。在整個論文期間，我也學會了自己怎么更好的去查閱自己想要得到的資料，這個對于我以后的工作與學習都會有很大的益處，同時也意識到GaN材料在當今及今后一段時間內是一種重要的新型半導體材料，其良好的化學和物理特性遠勝于第一、第二代半導體材料，基于AlGaN/GaN異質結的高電子遷移率晶體管(HEMT)在高溫器件和大功率微波器件方面都存在極其好的開拓創(chuàng)新潛力，我相信它們會成為微電子器件和光電子器件研究領域的前沿和熱點。未來的工作展望研究Al(Ga)N/GaN異質結各種相關特性后，熟悉了其材料構成的HEMT在高溫器件與大功率微波器件方面的應用以及取得的發(fā)展。但隨著微電子器件的發(fā)展，注意到另外一方面光電子器件研究領域。由于AlGaN和GaN的寬禁帶直接帶隙半導體，其寬度從窄帶到寬帶的很大范圍變化，作為激光器件材料可覆蓋近紫外到整個可見光區(qū)，很適合制作短波長發(fā)光器件與激光器件。而且隨著當今晶體外延生長技術越來越成熟，為器件生產提供了更好的支持，能制作出發(fā)光效率高，輸出功率大的發(fā)光管。因此，相信今后Al(Ga)N/GaN異質結在光電子研究領域有著更好的應用空間。參考文獻NaiqianZhang.HighvoltageGaNHEMTswithlowon-resistanceforswitchingapplications[D].America：UNIVERSITYofCALIFORNIASantaBarbara,2002.HajimeOKUMURA.Presentstatusandfutureprospectofwidegapsemiconductorhigh-powerdevices[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics,2006,Vol.45,No.10A：7565-7586.EastmanLF,MishraUKThetoughesttransistoryet(GaNtransistors).IEEESpectrum,2002,39(5):28SternFIterationmethodsforcalculatingself-consistentfieldsinsemiconductorinversionlayersJComputPhys,1970,6:56RongmingChu,LikunShen,etal.PlasmatreatmentforleakagereductionininAlGaN/GaNandGaNschottkycontacts[J].IEEEelectrondeviceletters,2008,Vol.29,No.4：297.SharmaBL,PurositRK.SemiconductorHeterojunctions.Oxford:Pergamonpress,1974,24ShurMS,BykhovskiAD,GaskaRTwo-dimensionalholegasinducedbypiezoelectricandpyroelectricch