GaN异质结器件场控能带（FCE）模型与新结构

The electronic device based on Gallium nitride(GaN) is one of the international research focuses. This application studies the theory of GaN heterojunction and novel device structures. The innovations involved in this application include: 1)to set up a Filed Control Energy-band(FCE) model - - by researching influence of polarized, built-in and extrinsic electric filed and the energy bands on the working condition of the heterojunction device, thus to reveal the physical nature of enhancement mode GaN heterojunction device and obtain the rules of field control energy-band, and further to propose an universal analytical expression for enhancement mode and depletion mode device, which serves as a theory foundation and guidance for researchers of both GaN based and other material based heterojunction devices. 2)based on FCE model, to propose a fieled induced tunneling AlGaN/GaN HEMT, and to verify the structure both by simulation and experiments, thus to obtain a novel enhancement mode GaN device with threshold voltage above 1.5 V and maximum drain current above 350 mA/mm. This application is a world wide advanced foundamental research project, with significant scientific and practical value.

氮化镓（GaN）电子器件是国际半导体领域研究热点和战略制高点之一。本申请对GaN异质结器件模型与新结构开展基础研究，其主要创新研究为：1）提出场控能带（FCE）模型- - -通过研究极化电场、内建电场和外加电场与异质结能带结构的关系以及能带结构变化对异质结器件工作机理的影响，揭示增强型GaN异质结器件的物理本质，寻求GaN异质结器件的场控能带规律，获得耗尽型和增强型异质结器件场控能带的统一解析式，为研究GaN异质结器件提供理论基础和指导思想。该模型具有普适性，不仅适用于AlGaN/GaN器件，也可应用于其它异质结体系的器件研究中；2）在FCE模型指导下，提出一种场致隧穿增强型AlGaN/GaN HEMT新结构，并进行器件仿真和实验验证，得到一种阈值电压大于1.5V、漏极电流大于350mA/mm的新型增强型GaN器件。本申请是一项器件理论与实验的应用基础研究，对GaN电子器件的发展具有重要意义。

氮化镓（GaN）电子器件是国际半导体领域研究热点和战略制高点之一。本项目对GaN 异质结器件模型与新结构开展了基础研究，其主要成果包含：1）提出了场控能带（FCE）模型---通过研究极化电场、内建电场和外加电场与异质结能带结构的关系以及能带结构变化对异质结器件工作机理的影响，揭示了增强型GaN异质结器件的物理本质，得到了GaN 异质结器件的场控能带规律，获得了耗尽型和增强型异质结器件场控能带的统一解析式，为研究GaN异质结器件提供了理论基础和指导思想。该模型具有普适性，不仅适用于AlGaN/GaN 器件，也可应用于其它异质结体系的器件研究中。2）研究了GaN异质结场控能带器件(L-FERs)的比导通电阻、耐压与器件尺寸以及温度的关系，提出了不同的击穿机制来探究L-FERs不同的反向击穿特性。并在场控能带模型的指导下，提出了具有开启电压为0.2V的混合阳极场控功率整流器新结构（HA-FER），突破了传统GaN功率整流器开启电压大于1V的理论极限。在此基础上，进一步提出具有绝缘凹槽栅的场控功率整流器，通过引入High-k介质提高凹栅结构的稳定性，器件在150℃高温下仍然具有很好的反向阻断特性。3）为解决欧姆接触源漏极器件存在亚阈值电流大、击穿电压低与表面形貌差等问题，本项目提出了肖特基源极工艺，将器件的耐压从190V提高到630V。为进一步减少器件接触电阻并避免上述问题，项目提出了低温无金欧姆接触工艺并研究了其隧穿机理。基于无金欧姆接触导电机理和GaN异质结的FCE模型的指导，提出了场致隧穿增强型AlGaN/GaN HEMT 结构。4）项目研究了GaN 器件绝缘层介质的制备工艺，以及如何有效控制绝缘层/半导体界面处的界面态密度，提出了用氮气退火工艺以及高温刻蚀技术来改善绝缘层/半导体界面处的界面状态，并且利用高温刻蚀技术，得到一个阈值电压为3.2V和漏极电流为593mA/mm的增强型器件。本项目是一项器件理论与实验的应用基础研究，对GaN 电子器件的发展具有重要意义。