2014-AlGaN-GaN异质结构场效应晶体管的I-V特性研究-修改版解读

1、学号:1410160117317Hunan Institule of Science and Technology毕业设计（论文）AIGaN-GaN异质结场效应晶体管的 题目:I-V特性研究作者彭坤届别2014学院物理与电子学院专业电子科学与技术指导老师文于华职称讲师完成时间2014.05摘要GaN基电子器件最重要的代表之一是AIGaN/GaN异质结场效应晶体管，这是因为它 具有高饱和电流、比较高的跨导和较高的截止频率与很高的击穿电压等独特的物理性 质。该论文正是以AIGaN/GaN异质结的基本物理特性作为研究基础来研究 AIGaN/GaN异 质结构场效应晶体管的I-V特性。在考虑到AIGaN

2、/GaN异质结中的自发极化与压电极化 效应的物理现象基础上，采用二维物理分析模型计算 AIGaN/GaN HEMT器件的I-V特 性，得到了较满意的结果。关键词：AIGaN/GaN; I-V特性;场效应晶体管，截止频率。AbstractOne of the most importa nt electro nic device represe ntative of the GaN-based AlGaN / GaN heterostructure field effect tran sistor, because it has a high saturati on curre nts and h

3、igh transconductanceand a high cutoff frequency of the high breakdown voltage, and other unique physical properties. The paper is the basic physical characteristics of AlGaN / GaN heterostructuresas a research foundation to study the IV characteristics of AlGaN / GaN heterostructure field-effect tra

4、n sistor. Basic physical phe nomena of spontan eous polarizati on and piezoelectric polarizati on effects, tak ing into acco unt the AlGaN / GaN heterostructures on the analysis of two-dimensional physical model AlGaN / GaN HEMT device IV characteristics obta ined satisfactory results.Keywords: AlGa

5、N / GaN; IV characteristics; field-effect tran sistor, the cutoff freque ncy.目录摘要2Abstract3目录4第1章绪论51.1 GaN材料的物理特性 51.2 GaN材料与电子器件的优势及意义 61.3 国内外对本材料的研究动态 7第2章 AI(Ga)N/GaN 异质结构的基本物理原理 82.1 Al(Ga)N/GaN异质结构的形成 82.2 AlGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理 82.3 二维电子气的分布 10第3章Al(Ga)N/GaN 场效应晶体管器件的电流-电压(I-V )特性模型 113.1 二

6、维分析模型 11第4章模拟结果图与数值分析 144.1二维模型数值分析结果 14第5章 结束语与未来工作展望 155.1 结束语155.2 未来的工作展望 15参考文献16致谢17第1章绪论1.1 GaN材料的物理特性GaN材料具有比较宽的直接带隙，高的热导性，化学性质很稳定，因为其有强的 原子键，所以化学性质很稳定，因此很难被酸腐蚀，抗辐射能力也很强，所以它在高温 大功率器件和高频微波器件研究应用方面领域有着极其广阔的发展潜力。下面具体说明GaN材料四种特性，这四种物理特性分别是物理特性， 化学特性和电学特性及其光学特 性。(1) GaN材料物理特性GaN是一种物理性质和化学性质都很稳定化合

7、物，它坚硬又熔点高，而且还具有比较高的电离度，这在in v族化合物中排第一。因为有其较高的硬度，所以是比较好的 涂层保护材料。(2) GaN化学特性在室温下，GaN化学性质非常稳定，它在水、酸和碱中根本不会发生化学反应，但 是在热的碱溶液会溶解，只是溶解速度十分较慢。质量相对较差的GaN能在H2SO4,H3PO4和NaOH液中受到腐蚀，所以该性质可作为对 GaN晶体品质方面缺陷的品质检 测。在高温的氢气或氯化氢气体作用下，GaN就会展现出不稳定的化学特性，但是和N2气比较中，GaN应该算最稳定之一的了。(3) GaN电学特性电学特性是影响GaN器件物理特性的最主要的方面。在没有掺杂时GaN基本

8、都是呈N型，掺杂最好时，该样品的电子浓度约等于 4.0X 1016/cm3。一般情况下制备的P 型样品，基本都是高补偿的。 GaN的最高迁移率结果在室温和液态氮温度下分别为卩 n=600.0cm2/v s和卩n= 1500.0cm2/v s,该情况下其相对应的载流子浓度分别为 n=8.0 x 1015/cm3和n=4.0X 1016/cm3。而且，采取P型掺杂的方法与 Mg的热退火处理方法， 可以将掺杂的浓度掌握在10111020/cm3之间。(4) GaN光学特性GaN其光学方面的特性，意在发光与激光器件制作的运用。 Tietjen与Maruska最 早测量的GaN直接隙的能量为3.38eV

9、。同时也有其他的研究人员研究了 GaN的温度和 带隙之间的大致相互关系，初略的得出了一个带隙温度系数的公式：dE/dT= 6.0X 104eV/k。为GaN的光学特性更好的应用在了科学领域。1.2 GaN材料与电子器件的优势及意义第一代半导体材料Si和第二代半导体材料 GaAs广泛地应用在功率和频率器件中， 而宽禁带半导体GaN、SiC等材料，特别是GaN,是高功率、高频率器件和高功率转换 效率器件的理想材料。目前GaN及其相关的材料(AlGaN )已经应用在高频器件和照明 器件中，在无线通信和LED产业中占有重要的地位。而在功率器件中GaN的作用也逐渐显露，耐高温高压和大电流是未来 GaN基

10、功率器件的不变的目标。GaN器件主要有5大优势：电流密度大、耐压高、能在高温下工作、导通电阻小和 开关速度快。这些优势是由于 GaN材料具有大禁带宽度、优越的电学电子特征和相对 比较稳定的化学性质。GaN材料与其他重要的半导体材料的特征参数对比如表 1-1所示:表1-2 GaN材料与其他半导体材料的重要参数对比材料SiGaAsGaN4H-SiCAlN金刚石InPEg(eV)1.121.433.393.266.15.451.34ni(cm-3)1.5 10102.1 1061.9 10-108.2 10-910-311.6 10-273.3 107r11.812.89.010.08.75.512

11、.56n (cm2/Vs)13508000900700110019005400E：(106V/cm)0.30.43.33.011.75.60.45Vsat(1dcm/s)1.02.02.52.01.82.72.0(W/cmK)1.50.51.34.52.520.00.67其中，Eg为禁带宽度，ni为本征载流子浓度；r为相对介电常数；n为电子迁移 率；Ec为临界击穿电场；为饱和电子漂移速度；为热导率。室温下GaN的禁带宽度达到3.4eV,是Si和GaAs的禁带宽度的3倍；GaN的临 界击穿电场是GaAs和Si的10倍左右。这使得GaN基器件能承受的电场强度高出 Si 基和GaAs基器件56倍左右

12、。高电场强度就代表其有很高的击穿电压，由此可知 GaN 基器件通常情况下也会有很高的耐压性质。在较低的电场环下，载流子的迁移率是电场强度关系曲线和漂移速度的斜率。而在 较高的电场作用下漂移速度比迁移率更重要，GaN具有很大的饱和漂移速度，而且当达到这个饱和漂移速度需要的电场强度比 GaAs所需的大了一个数量级。GaN基材料非常易于制作异质结，AIGaN/GaN异质结结构中二维电子气的密度相 对比较的高，一般可达到10 cm 。氮化镓作为基材料在非光电子应用方面也有较大的 作用。以氮化镓作为基材料制作的电子器件材料是比较好的。其相比其他半导体材料具 有击穿电压高、较宽的禁带、相对高的电子饱和速度

13、。但是在两种氮化物接触表面处一 般都会存在有比较高的二维电子气面密度。另外氮材料的键能比较强，热稳定性和化学 稳定性比较高，因此 GaN具有较高的热导率。CaN形成很大的本征点缺陷，故而难以 产生二次缺陷，对于大功率的器件以及高温器件来说也是相当有利的。1.3国内外对本材料的研究动态AIGaN/GaN异质结构材料体系，因为其在咼温，咼频，大功率等方面具有很优秀 的物理性质，所以在这方面的应用很广泛，受到的关注也越来越多。该材料的研究已经 成为了微电子研究领域的前沿和热点。GaN材料的研究与应用是研制微电子器件和光电 子器件的新型半导体材料；因为具有宽的直接带隙，强的原子键，比较高的热导率，化

14、学性质比较稳定，和抗辐照能力强。所以在光电子，高温大功率器件，高频微波器件等 方面都具有良好的发展前景。GaN基器件应用一般分两大类：电子器件和光电子器件。 电子器件:氮化傢基材料制作的异质结双极晶体管（HBT）和异质结场效应晶体管（HFET）。 光电器件：氮化傢基材料做的发光管（LED）、激光器（LD）以及光电探测器。GaN基材料 非常易于制作异质结，由于形成异质结的两种半导体单晶体材料的介电常数、禁带宽度、 折射率、吸收率等物理参数有所不同，所以异质结表现出许多不同于同质结的性质。因 此，利用异质结制作出的激光器、电子发光二极管、光电探测器、应变传感器等，比用 同质结制作的同类元件要优越的

15、多。氮化镓基器件的发展在显示、照明、信息存储、光探测、航空航天以及军事装备等 诸多方面已经并将继续引起很大的作用。特别是 GaN材料的外延技术的生长，得以快速 的发展激光器件和发射器方面取得优异的贡献。第2章AI（Ga）N/GaN异质结构的基本物理原理2.1 AI（Ga）N/GaN异质结构的形成异质结：是由不同的两种半导体单晶体的材料组成的；根据相应的半导体晶体材 料的导电类型的不同，异质结构大概可分为如下两类。（1）反性异质结反型异质结：它是由两种不同的导电类型相反的半导体单晶体材料组成的异质结。 比如，P型AI与N型GaN所形成的结就称为反型异质结；并标记为 p-nAI-GaN。如果异质

16、结由N型AI与P型GaN形成，则记为（n） Al-（ p）GaN。（2）同型异质同型异质结：它是由两种不同的导电类型相同的半导体单晶体材料组成的异质结。 比如，当P型Ga与N型N组成的结就称为反型的异质结；并记为 p-nGa-N。如果异质结由 N型 Ga与 P型 N形成，则记为（n）Ga-（ p）N。异质结因材料过渡时的原子距离；分为突变的型异质结与缓变的型异质结。当从一 种半导体的材料向另外一种半导体材料过渡时；只存在在几个原子的距离及其范围内， 这种称为突变的异质结。如果出现在几个扩散的长度区间内，那么称为缓变的异质结。2.2 AIGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理Psp十PpeA

17、IxGa1-xNE+ HH -HPsp1GaNrl1r图2-1 Ga面异质结极化图如图2-1所示，由于极化效应（PSP为自发极化，PPE为压电极化），在AIGaN的 上、下表面正、负电荷，正电荷与负电荷生成偶的极子，生成自下向上表面的的电场。 极化的电荷产生了电场，故在 AIGaN层内属常数。上面和下面极化的电荷不是2DEG的电荷，2DEG的生成要别的因数。用两种情况分析：(1)理想的表面没有表面态的表面，则称作理想的表面。随着AIGaN层的生长，表面的电势能慢慢递增，因为费米能级位于GaN导带下面，未产成2DEG。随厚度处于临界厚度时，费 米能级与AIGaN价带底相平，此时在 AIGaN上表

18、面随着空穴的堆积产成二维空穴气 (2DHG)，这样2DEG出现在异质结的交界面。由于 2DHG的存在，当AIGaN的厚度 继续在递增时,正是这层正的表面电荷的存在，阻止表面电势的再次的递增，在一定范围 内2DEG浓度与厚度成正递增。(2)存在的表面态此情况的2DEG产生与理想表面的相似；随着 AIGaN层的生长费米能级在厚度达 到临界后也升到表面态深能级位置；随着表面态电离开始， 2DEG在异质结的交界面处 出现o AIGaN层厚度继续递增，费米能级由于表面态的作用被钳制在表面态能级的位置，表面态再次电离，2DEG浓度递增。然而非理想的表面，表面态形成类施主，出现正电荷。此电离的类施主是与2D

19、EG同时出现，且存在同时a、压电极化的计算P PE(1a (0 ) a o ( x )a o ( x )e3i ( x )e 33 ( x )C 13 ( x )C 33 ( x )(2-1)其中R为AIGaN层应变弛豫度,a和aO分别为GaN和AIx Ga1- xN的晶格常数，e31 和e33 , C13和C33分别为AIGaN材料的压电常数和弹性常数。当张应变时，压电极化为 负；压应变时，压电极化为正。b、自发极化二种氮化物的自发极化数值表材料AINInNGaNPsp (C/m2)-0.081-0.032-0.029晶格常数a/nm0.31120.57050.5185c、界面固定极化电荷的

20、计算(x)|PpE(AlxGa1 xN) Psp(GaN ) Psp(GaN )(2-2)/、a(0) a(x) /、/、C13(x)z x(x)2_e31(x) e33(x)PSP(x) PSP(0)(2-3)d、二维电子气面密度的计算ns(x)e(X)0 (x)d2 e b (X)d AIGaN eEf(x)Ec(x)(2-4) (x为Alx Gai- xN的相对介电常数，DAiGaN为Alx Gai- xN的厚度，eb为肖特基势垒高 度，Ef (x)为相对于GaN导带底能量的费米能级， Ec为异质结两种材料的导带不连 续量。2.3二维电子气的分布由于AlGaN/GaN异质结构中存在自发极

21、化和压电极化效应及由其在表面和界面处 产生的束缚面电荷，在表面邻近还有电荷吸附层，是一个较为复杂的系统，因此在计算 其能带和二维电子气的分布，需要编制相应的软件用数值方法计算。以下给出薛舫时关 于GaN异质结的二维表面态中的计算结果5。计算所取的AlGaN/GaN应变异质结构有 Al组成为0.3，厚度为30nm的AlGaN/GaN和较厚的GaN层组成，表面吸附正电荷层 厚度为2nm。从图2.2可看到在图中对应 AlGaN/GaN区的左边确实有一高度约1eV的图2.2 热平衡状态下的 AIGaN GaN HFET能带图第3章AI(Ga)N/GaN场效应晶体管器件的电流-电压(I-V )特性模型3

22、.1二维分析模型众所周知，器件的物理模型对理解器件的特性和进行器件设计十分重要，器件模拟 可以是一维的或二维的.我们选用准二维的方法,对A1GaN/GaN材料HEMT器件的I-V 特性进行模拟，这种方法的优点是计算量小，物理意义直观；缺点是模型简单，只考虑了 漂移作用，忽略了扩散作用但仍然可以定性的说明HEMT器件的工作原理，下图就是 该二维模型的图D10nm undoped Aloao 苗忡Wnm Si doped AlD iaQl ?5N2DEG CharnelSnm undofed AIGa0 75N2|jm undoped GaNiQQrun AIN txilfgrSiC Substr

23、ate1 ig. 1. Schematic diagnim of an AltiaN GaN HEMT.HEMT沟道中x位置电流密度表示为(1)Ids(m,x) Wq(x,m)(ns(x)dVC(X)空叫) dx q dx迁移率表示为(2)(x,m)0(m)1( c(m)Ec vSat)/EcvSat)(dVc(x)/dx)沟道载流子浓度表示为3)ns(m, x)(m) q(dd diVthVc (x)电势边界条件为(4)Vc(x)x0 lds(m,x)RsVc(x)x0 Vds Ids(m,x)(Rs Rd)对常量参数做如下定义(5)E1(0(m)EcVsat) / EcVsat(6)gsV

24、gsVthKbT(7)Gow o(m) (m)(dd di d)将方程(2)、( 3)代入(1)化简得(8)I ds(X)G0 _11 1 dVc(x)(V gsVc(x)警dxE1dx方程(9)利用式(4)的边界条件对式(9)进行积分，以及沟道中电流 处处相等(Ids)得2 210) Ids(L 0)G0(Vc(L)2 M(0) ) GVgs (lds/EJ)(Vc(L)(8)整理得I ds(x)dx ( GoVc(x) G0V gs(lds/EJ)dVc(x)Vc(0)整理成关于Ids的(11)(12)(13)(14)儿一次方程的形式3021 I ds2 I ds2RSRdE1G02G(V

25、ds(RsG(V gsVds故电流Ids由下式获得(15) Ids(Rd)2 2RsRd)Rd) Vgs(2Rs Rd) L 空)E1(Vds)2)2饱和电压Vdsat的计算(16) Idsat G0(V gs Vdsat)Ec(dd di d)讨论：根据电流表达式（8）,假设电场达到饱和电场时电流开始饱和，有Ids(x) G011dVc(x)(Vgs Vc(x)?Ids(x)G01 (Vgs Vdsat)EsatE1dx1Esat-1()2 4按照文中给出的饱和电流代入(11)式中计算饱和电压，同样有(17)Vdsat二2 1线性区（linear region）与饱和区（saturation

26、 region）分界点位置为：x=L1横向电场为:dV/dx=E0电流为：Ids=Ic横向电压为Vc(x) x Li VL1根据（9）式可得（21）dVc（x）dxIcI ds(X)(GVc(x) G0V gs (lds/已)故（22）EoG0( Vl1Vgs) (lc/已)1所以横向电压表示为(23) Vl1Vgs (E0G0-1r)IcVgs IcE1G0根据（9）式x在0-L1之间积分得2 2(24) Ids(L1 0)%(/)(乂(0)(G0Vgs电势边界条件为Vc（x）x 0 I d s Rs求解11得（25）L,（GV gsI dsE12G0 (2 gs) 宁Ids丄)(VgsRs

27、)Ids)2 Rs)Ids 2 Vgs)另外，可获得饱和区域长度L2(26)L2 L第4章 模拟结果图与数值分析4.1二维模型数值分析结果由第三章的二维分析模型，结合Exce I的分析得到数据模拟图(EUVE) 】5.lno可以看出随着电压的的不断增加，电流就趋于饱和，上图给出了，Vg=i，-0.5, -2.5,-4.5v数据图。下图给出了当Vg=1.5时的模拟出来的图和实验实际得到的图的差距700-vD-rsv600- / * 500400-30010020246 a 10 12 14 16 18 20Bias |V)第5章结束语与未来工作展望5.1结束语通过查阅大量的课题相关文献和资料对A

28、I(Ga)N/GaN异质结构材料的物理特性模拟,认识到AIGaN /GaN异质结材料及器件的基本特性；AI(Ga)N/GaN异质结构的形成； 以及AI(Ga)N/GaN异质结构的基本物理原理，包括 AIGaN/GaN异质结中二维电子气的 产生机理，二维电子气的分布,然后通过对AI(Ga)N/GaN材料HEMT器件优化分析， 用准二维方法模拟I-V特性。在整个论文期间，我也学会了自己怎么更好的去查阅自己 想要得到的资料，这个对于我以后的工作与学习都会有很大的益处，同时也意识到GaN 材料在当今及今后一段时间内是一种重要的新型半导体材料，其良好的化学和物理特性远胜于第一、第二代半导体材料，基于AI

29、GaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT) 在高温器件和大功率微波器件方面都存在极其好的开拓创新潜力，我相信它们会成为微电子器件和光电子器件研究领域的前沿和热点。5.2未来的工作展望研究AI(Ga)N/GaN异质结各种相关特性后，熟悉了其材料构成的 HEMT在高温器 件与大功率微波器件方面的应用以及取得的发展。但随着微电子器件的发展，注意到另 外一方面光电子器件研究领域。由于 AIGaN和GaN的宽禁带直接带隙半导体，其宽度 从窄带到宽带的很大范围变化，作为激光器件材料可覆盖近紫外到整个可见光区，很适 合制作短波长发光器件与激光器件。而且随着当今晶体外延生长技术越来越成熟，为器 件生

30、产提供了更好的支持，能制作出发光效率高，输出功率大的发光管。因此，相信今 后AI(Ga)N/GaN异质结在光电子研究领域有着更好的应用空间。参考文献1 Naiqia n Zhang. High voltage GaN HEMTs with low on-resista nee for switch ing applicationsD. America: UNIVERSITY of CALIFORNIA Santa Barbara , 2002.2 Hajime OKUMURA. Prese nt status and future prospect of widegap semic on du

31、ctor high-power devicesJ. JapaneseJournal of Applied Physics, 2006, Vol.45, No.10A : 7565-7586.3 Eastman L F, Mishra U K The toughest transistoryet (GaNtransistors) .IEEE Spectrum, 2002, 39( 5) : 284 Stern F Iteratio n methods for calculat ing self -con siste ntfields in semic on ductor in version l

32、ayers J Comput Phys,1970, 6: 565 Rongming Chu, Likun Shen, et al. Plasma treatment for leakage reductionin in AlGaN/GaN and GaN schottky contactsJ. IEEE electron device letters2008, Vol.29, No.4： 297.6 Sharma B L,Purosit R K.Semic on ductor Heteroj unction s.Oxford:Pergam on press,1974,247 Shur M S, Bykhovski A D, Gaska R Two-dimensional holegas induced by piezoelectric and pyroelectric charges Solid-State Electro n, 2000, 44: 2058 Dawei Yan, Hai Lu, On the reverse gate leakage current of AlGaN/GaN high electro nm obility tran sistors. , Appl. Phys. Lett. 97, 153503, 20109 祃龙 等,AlGaN/G