论文部分内容阅读
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、抗辐射能力强、电子迁移率高、击穿场强大、耐高温等优点，在微波大功率领域具有极大的应用前景。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)逐渐成为现阶段微电子领域研究的重点，因其独特的优势可广泛应用于航空、航天和通信领域。但温度可靠性和热问题限制了GaNHEMT进一步发展和应用，对器件温度特性进行研究并且设计合理有效的热管理方案具有重要的意义。此外，GaN基HEMT-LED光电集成器件在可见光、通信和显示中具有巨大的潜在应用，目前HEMT和LED占比对光功率密度的影响还没有研究，可以借助物理模型仿真对器件比例设计进行指导。本论文针对上述问题展开探究，主要对GaNHEMT器件性能优化、其温度特性、基于金刚石衬底的倒装器件及光电集成器件GaN基HEMT-LED的模型仿真进行研究分析。论文主要研究内容如下:
1.GaNHEMT器件性能优化研究
对制备的GaNHEMT器件测试发现其性能较差，存在关态电流大(10-6～10-5A)、阈值电压负向大的问题。针对此问题，将器件在850℃氮气氛围下进行金属后退火的处理，退火后的器件性能明显提升，尤其表现在关态电流降低、阈值电压正向移动。关态电流降低一方面是由于金属后退火的处理有效改善了GaN/Al2O3界面，另一方面是由于在退火的过程中表面氧化层厚度增加，这可能使表面钝化导致关态电流降低。阈值电压正向移动是由于金属后退火处理使GaN/Al2O3界面或Al2O3内固定正电荷的减少。此外，XPS测试显示字金属后退火后GaN/Al2O3界面Ga-Ga键峰增加，金属Ga起受主的作用也促使了阈值电压的移动。
2.GaNHEMT温度特性研究
使用silvaco软件对GaNHEMT在200～500K温度特性进行仿真研究。与室温下器件性能相比，高温下输出电流降低、跨导减小，低温下输出电流提高、跨导增加，表明在高温下器件性能退化，在低温下器件性能提升。对GaNHEMT器件在低温下的性能进行了较为详尽的实验探究，测试了器件在100K、150K、200K、250K、300K时的性能。随着温度的降低，器件的输出电流、阈值电压、跨导、迁移率都会有所变化。器件输出电流随温度的降低而增加，Vg=0V时100K时饱和输出电流密度相对于300K时提升了48.5％，低温下阈值电压负向移动、2DEG浓度及迁移率增加均使得饱和输出电流值增加。阈值电压随温度的下降而出现负漂移的现象，这主要和低温下势垒高度φB降低、导带差△EC增加有关。跨导和2DEG的迁移率也会随温度下降而增加，说明低温下栅控能力增强，迁移率的增加也是导致输出电流增加的主要因素。
3.基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件研究
针对GaNHEMT的散热问题进行研究，本论文设计了基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件方案，将GaNHEMT器件和高导热率的金刚石结合进行有效的热管理。倒装前后散热路径不同，对热阻估算可知倒装后器件的热阻要低于倒装前器件的热阻。对倒装前后的器件性能进行测试，对比得出倒装器件的饱和电流Idmax提高15％、导通电阻Ron减小16.4％，反映出基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件能够更有效的散热，这为金刚石和GaNHEMT结合进行热管理提供了一种新的方式。
4.GaN基HEMT-LED集成器件模拟研究
使用apsys模拟软件建立光电集成器件GaN基HEMT-LED模型，对集成器件的基本性能进行模拟分析，得到其电流、光功率、发光强度具有良好的可控性。HEMT和LED之间的尺寸比极大地决定了集成设备的整体性能，本文通过仿真研究了具有不同尺寸比率的GaN基HEMT-LED器件的光学和电学特性。随着LED尺寸比的减小，功率密度先增大后减小，LED的最佳尺寸比约为0.2。峰值功率密度的存在归因于LED尺寸比的减小时电流密度增加、LED内量子效率下降。进一步探究了电子阻挡层(EBL)组分和厚度不同时器件峰值功率密度和LED尺寸占比的关系。不同EBL组分的集成器件，Al0.15GaN器件峰值功率密度对应的LED尺寸比为0.2，Al0.12GaN器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.24。不同EBL厚度的集成器件，8nmEBL器件峰值功率密度对应的LED尺寸比为0.23，12nmEBL器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.2，16nmEBL器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.17。不同EBL组分和厚度的器件峰值功率密度对应不同的LED尺寸占比，是由于其效率下降的差异导致的。集成模拟的结果为以后实验中器件的尺寸比例设计提供了指导。
1.GaNHEMT器件性能优化研究
对制备的GaNHEMT器件测试发现其性能较差，存在关态电流大(10-6～10-5A)、阈值电压负向大的问题。针对此问题，将器件在850℃氮气氛围下进行金属后退火的处理，退火后的器件性能明显提升，尤其表现在关态电流降低、阈值电压正向移动。关态电流降低一方面是由于金属后退火的处理有效改善了GaN/Al2O3界面，另一方面是由于在退火的过程中表面氧化层厚度增加，这可能使表面钝化导致关态电流降低。阈值电压正向移动是由于金属后退火处理使GaN/Al2O3界面或Al2O3内固定正电荷的减少。此外，XPS测试显示字金属后退火后GaN/Al2O3界面Ga-Ga键峰增加，金属Ga起受主的作用也促使了阈值电压的移动。
2.GaNHEMT温度特性研究
使用silvaco软件对GaNHEMT在200～500K温度特性进行仿真研究。与室温下器件性能相比，高温下输出电流降低、跨导减小，低温下输出电流提高、跨导增加，表明在高温下器件性能退化，在低温下器件性能提升。对GaNHEMT器件在低温下的性能进行了较为详尽的实验探究，测试了器件在100K、150K、200K、250K、300K时的性能。随着温度的降低，器件的输出电流、阈值电压、跨导、迁移率都会有所变化。器件输出电流随温度的降低而增加，Vg=0V时100K时饱和输出电流密度相对于300K时提升了48.5％，低温下阈值电压负向移动、2DEG浓度及迁移率增加均使得饱和输出电流值增加。阈值电压随温度的下降而出现负漂移的现象，这主要和低温下势垒高度φB降低、导带差△EC增加有关。跨导和2DEG的迁移率也会随温度下降而增加，说明低温下栅控能力增强，迁移率的增加也是导致输出电流增加的主要因素。
3.基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件研究
针对GaNHEMT的散热问题进行研究，本论文设计了基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件方案，将GaNHEMT器件和高导热率的金刚石结合进行有效的热管理。倒装前后散热路径不同，对热阻估算可知倒装后器件的热阻要低于倒装前器件的热阻。对倒装前后的器件性能进行测试，对比得出倒装器件的饱和电流Idmax提高15％、导通电阻Ron减小16.4％，反映出基于金刚石衬底的GaNHEMT倒装器件能够更有效的散热，这为金刚石和GaNHEMT结合进行热管理提供了一种新的方式。
4.GaN基HEMT-LED集成器件模拟研究
使用apsys模拟软件建立光电集成器件GaN基HEMT-LED模型，对集成器件的基本性能进行模拟分析，得到其电流、光功率、发光强度具有良好的可控性。HEMT和LED之间的尺寸比极大地决定了集成设备的整体性能，本文通过仿真研究了具有不同尺寸比率的GaN基HEMT-LED器件的光学和电学特性。随着LED尺寸比的减小，功率密度先增大后减小，LED的最佳尺寸比约为0.2。峰值功率密度的存在归因于LED尺寸比的减小时电流密度增加、LED内量子效率下降。进一步探究了电子阻挡层(EBL)组分和厚度不同时器件峰值功率密度和LED尺寸占比的关系。不同EBL组分的集成器件，Al0.15GaN器件峰值功率密度对应的LED尺寸比为0.2，Al0.12GaN器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.24。不同EBL厚度的集成器件，8nmEBL器件峰值功率密度对应的LED尺寸比为0.23，12nmEBL器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.2，16nmEBL器件峰值功率密度对应LED尺寸比为0.17。不同EBL组分和厚度的器件峰值功率密度对应不同的LED尺寸占比，是由于其效率下降的差异导致的。集成模拟的结果为以后实验中器件的尺寸比例设计提供了指导。