AlGaN/GaN HEMT器件低频噪声表征研究

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AlGaN/GaN HEMT器件具有高击穿电场(3.3 MV/cm)和高电子迁移率(2×103cm2·V-1·s-1),其在传感、雷达、自动化、通讯等领域拥有巨大的应用前景。在过去的二十年研究中,AlGaN/GaN HEMT器件的性能大大的改善,相关的理论方法也趋于成熟。然而随之也出现了一些诸如短沟道效应、电流崩塌效应、热载流子效应等一些可靠性问题,严重阻挡了AlGaN/GaN HEMT器件的大规模运用,尤其在卫星通讯、航空航天这些对可靠性要求极高的领域。与传统的器件可靠性的检测方法相比,低频噪声作为一种非破坏性手段对相关的缺陷信息更具有敏感性、更快速、成本也较低。目前利用低频噪声对AlGaN/GaN HEMT器件的退化特性进行的研究较少,而对于低温下器件的低频噪声更是鲜有研究。这篇论文主要围绕AlGaN/GaN HEMT器件在不同的偏压、尺寸结构、低温情况下对其进行直流和低频噪声特性的研究,以分析器件的相关退化特点并找出低频噪声源。本文首先探究了(1)不同栅极偏压AlGaN/GaN HEMT器件的低频噪声特点,基于沟道电阻与Hooge模型公式,对低频噪声进曲线行处理,结果表明当栅偏置电压接近或者稍大于阈值电压时,栅下沟道为主要的噪声源;而当栅压远大于阈值电压时,非栅沟道部分成为主要噪声源。(2)接着本文对3μm到20μm栅长的器件进行了直流和低频噪声特性测试和分析,观察发现栅长的减小可以提高器件的直流性能,但同时由于电阻的增大也会很大程度上增加噪声,根据Mc Whorter模型对噪声进行归一化处理后发现,栅长较小时器件的噪声主要源自半导体中的陷阱对于沟道电子的俘获与释放过程,当栅长较大时器件的噪声主要源于迁移率的涨落,这与半导体中的晶格散射有关。(3)接下来通过对AlGaN/GaN HEMT器件Si N钝化后与未钝化时相比较,分析钝化作用对于器件的影响,研究结果表明钝化使得器件的输出漏电流、跨导得到提高,同时也减少了栅漏电流和低频噪声,并且对非栅区域的噪声改善作用明显。然后本文研究了100K到300K温度下的AlGaN/GaN HEMT器件的直流和低频噪声特性,结果表明(1)在100K到300K温度区间内温度的降低可以提高输出漏电流、跨导、肖特基特性。(2)对FATFET结构器件进行测试并且计算后,观察到在这一温度区间内2DEG的迁移率随着温度的减小而增加。(3)在低频噪声研究方面,根据Mc Whorter模型对不同温度下的低频噪声曲线进行归一化处理,发现当温度小于200K时曲线与模型差距较大,其噪声主要来源于半导体中迁移率的涨落,与半导体中的晶格散射有关;当温度处于200K到300K之间时曲线与模型吻合较好,主要噪声源是载流子数目的涨落,陷阱密度较大。(4)最后对于低温下栅长的变化对器件的直流和低频噪声特性进行研究,发现与室温时相比,低温下栅长的变化对于直流特性的影响减弱、对于迁移率涨落的影响加剧,而且低频噪声对于栅长的变化不具有相关性。
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