新型高K栅介质双沟道AlN/GaN/AlGaN/GaN基MOS-HEMTs极化和电流坍塌效应研究

传统AlGaN/GaN基HEMT，因受器件自身结构和材料特性的限制，存在驱动电流无法进一步提高、电流坍塌效应较大等缺点。本课题拟采用宽禁带、强极化效应的AlN替代AlGaN形成AlN/GaN/AlGaN/GaN双沟道结构，使器件具有更高的二维电子气和更强的量子束缚效应，实现提高器件电流传导能力和降低"热电子"陷阱俘获引起的电流坍塌效应的目的；采用Al2O3高K栅介质钝化层形成MOS结构，减小由表面态引起的电流坍塌效应并降低栅极漏电流。通过理论和实验，建立非线性极化计算模型，揭示电荷浓度、工艺条件、器件尺寸参数对二维电子气在双量子阱中能级分布的影响规律以及双沟道之间的相互作用机理；建立"热电子"栅边俘获和表面隧穿俘获"虚栅"模型，澄清射频信号下热电子栅边俘获与离化物理过程以及表面态俘获栅极隧穿载流子的物理起源，获得进一步降低电流坍塌效应的合理途径，对高性能HEMT器件的实现具有重要的指导意。

本项目全面开展了新型高K栅介质双沟道AlN/GaN/AlGaN/GaN基MOS-HEMTs极化和电流坍塌效应研究，建立了双沟道极化分布模型，理论获取了各异质结界面的极化界面电荷，建立了双沟道热电子俘获模型、表面态隧穿俘获模型和迁移率高场饱和模型等关键物理模型，针对GaN基HEMT国际上最为关心的漏极电流坍塌，澄清了国际上具有争议的负微分电导的物理机理。基于建立的四种理论模型，发现AlGaN/GaN双沟道HEMT输出特性中明显的负微分电导是自加热效应引起的。研究了下势垒层Al组份对双沟道HEMT转移特性和跨导特性的影响，发现适当增加下势垒层Al组份可以提高器件输入信号的动态范围及输出信号的增益线性度。为提高输出功率和抑制电流坍塌效应，提出了一种新型InAlN势垒双沟道HEMT结构。利用氮化物材料的不同极化特性可以调制器件的导带边能量分布形式，对AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结器件的热电子效应进行了一系列研究，包括载流子传输模型的建立、基于界面散射研究其对器件高场输出特性的影响。结果发现：器件在高电场下的负微分电阻主要由于沟道载流子的非均匀分布形成尖锐的势垒所造成的，由于载流子的高能量非平衡分布使得沟道局域着过多的热光学声子能量，造成严重的自加热效应。电子—声子相互作用能量要比所提供的功率要高一个数量级以上，热电子和热声子温度在电流线性区可以保持近似相等，高铝组分和晶格匹配新型势垒器件结构可以有效抑制器件的自加热效应。