论文部分内容阅读
宽禁带氮化镓(GaN)基半导体材料，由于其禁带宽带大、耐高压、耐高温、耐酸碱腐蚀、抗辐射、电子饱和速度和漂移速度高、易于形成异质结构等，是制造高温、高频、高效、大功率、抗辐照微波电子器件和电路的理想材料。高频大功率GaN基高电子迁移率晶体管在相控阵雷达、电子对抗、卫星通讯、灵巧武器、通信基站、航空航天、汽车电子等领域具有极为重要的应用前景，是目前国际热点研究领域。
在本文中，设计并用MOCVD技术制备了GaN基HEMT材料，对其结构、电学特性进行了深入地分析和研究：与中科院微电子所合作研制出了C波段GaN基HEMT功率器件，并对器件的电流崩塌效应进行了研究。所取得的主要研究结果如下：
1.从理论和实验两方面研究了AlmGa1-mN势垒层Al组分对AlmGa1-mN／GaN HEMT材料性能的影响。实验研究发现，随着Al组分的增加，HEMT结构材料的二维电子气浓度增加，方块电阻降低；但Al组分的增加导致AlmGa1-mN材料晶体质量下降，表面V型缺陷密度增加，电子迁移率降低。
2.系统地研究了AlN插入层的生长时间对HEMT材料性能的影响。研究发现AlN插入层的生长时间在12s-18s(厚度在1-1.5nm)之间时，可获得高性能的Al0.3sGa0.62N／AlN／GaN HEMT材料；当AlN层的生长时间大于18s(厚度大于1.5nm)以后，由于晶格失配度的增加造成位错和缺陷密度的增加，材料的电子迁移率降低，电学性能劣化，表面形貌也变差。在国际上此类研究尚不多见，所得到的结果对HEMT材料性能的进一步改进有重要指导意义。
3.系统研究了AlN插入层对不同Al组分AlmGa1-mN／AlN／GaN HEMT材料性能的影响，发展了AlN插入层技术，研制出了具有国内领先水平、达到国际先进水平的AlmGa1-mN／AlN／GaN HEMT结构材料。Al0.45Ga0.5sN／AlN／GaN HEMT材料室温时二维电子气浓度和电子迁移率的乘积达到2.145×1016V-1s-1；Al0.3Ga0.7N／AlN／GaN HEMT材料室温时电子迁移率为2104cm2／Vs，二维电子气浓度为1.1×1013cm-2。
4.采用作者研制的材料，与中科院微电子所合作研制出了具有国内领先水平的C波段GaN HEMT功率器件。栅长0.81μmaAlGaN／GaN结构HEMT，脉冲和直流情况下的最大输出电流分别为784 mA／mm和670 mA／mm，跨导为20.mS／mm，截止频率20GHz，最高振荡频率为28GHz，在4GHz时输出功率密度达到3.33W／mm，功率附加效率为40％。
5.研究了Si3N4钝化膜厚度、AlN插入层和光照对HEMT电流崩塌效应的影响。研究结果发现，Si3N4钝化膜厚度为100nm左右时，有利于抑制AlmGa1-mN／AlN／GaNHEMT的电流崩塌效应和降低栅极的反向漏电电流；AlN插入层的引入不仅能增加HEMT的输出电流，而且能加强沟道对电子的限制作用，抑制器件的电流崩塌效应；普通目光灯照射有降低器件电流崩塌效应的作用。