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

1、1Hunan Institute 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学号:141016011732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

2、。在考虑到 AIGaN/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。3AbstractOne of the most importa nt electro nic device represe ntative of the GaN-based AIGaN/ GaN heterostructure field effect tran sistor, because it has a high saturati on

3、 curre nts andhigh transconductanceand a high cutoff frequency of the high breakdown voltage, and otherunique physical properties. The paper is the basic physical characteristics of AlGaN / GaNheterostructuresas a research foundation to study the IV characteristics of AlGaN / GaNheterostructure fiel

4、d-effect tran sistor. Basic physical phe nomena of spontan eous polarization and piezoelectric polarizati on effects, tak ing into acco unt the AlGaN / GaNheterostructures on the analysis of two-dimensional physical model AlGaN / GaN HEMTdevice IV characteristics obta ined satisfactory results.Keywo

5、rds: AlGaN / GaN; IV characteristics; field-effect tran sistor, the cutoff freque ncy.4目录摘要.2Abstract.3目录.4第 1 章绪论.51.1GaN 材料的物理特性 .51.2GaN 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 .82.1Al(Ga)N/GaN 异质结构的形成 .82.2AlGaN/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

6、管器件的电流-电压(I-V )特性模型 .113.1二维分析模型 .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.175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

7、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

8、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 基本都是呈 N 型，掺杂最好时，该样品的电子浓度约等于 4.0X1016/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 x1015/cm3 和 n=4.0X1016/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

9、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。同时也有其他的研究人员研究了 GaN 的温度和 带隙之间6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= 6.0X104eV/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

10、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)1.121.433.393.26

11、6.15.451.34n (cm-3)1.5 10102.1 1061.9 10-108.2 10-910-311.6 10-273.3 107Sr11.812.89.010.08.75.512.56(cm2/Vs)13508000900700110019005400E：(106V/cm)0.30.43.33.011.75.60.45Vsat(1dcm/s)1.02.02.52.01.82.72.0OW/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；汀为相对介电常数；n为电子迁移 率；Ec为临界击穿电场；Vsat为饱和电子漂移速度；”-为热导

12、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。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。7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，AI

13、GaN/GaN 异质结结构中二维电子气的密度相132对比较的高，一般可达到10 cm。氮化傢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。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

14、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 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

15、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2.1AI（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

16、的材料组成的；根据相应的半导体晶体材 料的导8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 Al 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 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

17、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。2.2AIGaN/GaN 异质结中二维电子气的产生机理PspPpeAIxGa1-xNEr十十H- 1H-, - - - - !-PspGaN:11rl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

18、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：9(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

19、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 oAIGaN 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a、压电极化的计算其中 R 为 AIGaN 层应变弛豫度,a 和 a分别为 GaN 和 AIxGai- xN 的晶格常数，e3i和 e33, Ci3和C33分别为 AIGaN 材料的压电常数和弹性常数。当张应变时

20、，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)-0.08I-0.032-0.029晶格常数 a/nm.3ii20.57050.5I85c、界面固定极化电荷的计算(x)| = |PpE(AlxGai_xN)+ Psp(G aN_ PSP(G a N(2-2)G(x)2a(0)-a(x)esi(x)-Q3(X)Ci3(x)卜+PSP(X) PSP(0)a(x)_C33(X)J(2-3)荷。此电离的类施主是与2DEG 同时出现，且存在同时PEa() - ao(x)a0( x )e3i(x) - e33( x )C13( X

21、)C33( x )丿(2-1)10d、二维电子气面密度的计算11d2eb(x)十EF(X) - A Ec(x)(2-4)ed AIGa0 75N2|jm undoped GaNiQQrun AIN txilfgr13对常量参数做如下定义(5)(6)1E1V gsGo( S(m)Ec- VsaJ/EsatgsKBTqw%(m)；(m)(dddi：d)将方程（2）、（ 3）代入（1）化简得1dVc(x)(8)Ids(x Go(Vgs-Vc(x)1 *1 dVc(x)dxE1dx方程(8)整理得(9)G(x)dx = (-GVc(x) GV；s-(lds/EJ)dVc(x)利用式(4)的边界条件对式

22、(9)进行积分，以及沟道中电流处处相等(Ids)得2 2(10)lds(L一0) G(Vc(L)(Vc(0) )(GVgs -(lds/EJ)(Vc(L)-Vc(0)整理成关于 Ids 的一元二次方程的形式（Jds2 Qds 3 =0(12RSRd身(R)22Rs&)E1(13)2二G(Vds(RsRd)-Vgs(2RsRdD-L-Y)E1(14) 3二G(VgsVds(Vds)2)2故电流 Ids 由下式获得(15) Ids21饱和电压 Vdsat 的计算(16) Idsat”09蔦2严心用14另外，可获得饱和区域长度 L2(26)L1LL讨论：根据电流表达式(8),假设电场达到饱和

23、电场时电流开始饱和，有Ids(x)虫01 dVc(x)(Vgs _Vc(x)；lds(x)= G1 dxE1dx111Esat(Vgs- Vdsat) EsatEi一：-(:)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二-22) _1 3线性区(linear region)与饱和区(saturation 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丄二VL1根据(9)式可得(21)dVc(x)二dx(-GVc(x) +G0Vgs(lds/已)Ids(X)Ic故22)E0一Go(-y

24、 +Vgs)-(lc/E1)1 1所以横向电压表示为(23)V- rVgs-()lc=Vgs - cE0G0E1G0根据(9)式 x 在 0-L1 之间积分得2 2(24)Ids(LyG0(VL1)-(Vc(0)(GoVgs(lds/Ei)(VVc(0)电势边界条件为Vc(x)求解 L1 得(25)J =(GVgs-丄)(VIdsE12G0(Vgs) (gs-CRs) Ids)2 Ids(2R；)lds-2Vgs)1570000000043020J3I2110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可以看出随着电压的

25、的不断增加，电流就趋于饱和，上图给出了，VG=I.5,-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(EUWUJ) luaunoV =1.5V4006116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AI(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

26、/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 AIGaN/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

27、 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。仃参考文献1 Naiqia n Zhang. High voltage GaN HEMTs with low on-

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