1、隨著微波技術的廣泛應用，尤其是無線通訊、航空航天、現代國防電子裝備等技術的飛速發(fā)展以及工作環(huán)境要求的日益苛刻，對電子器件的功率、頻率、耐高溫及抗輻射等性能的要求越來越高。GaN作為一種新興的第三代寬禁帶半導體材料，由于具有禁帶寬度大、擊穿電場高、飽和電子漂移速度大、熱導率高、介電常數小、化學性質穩(wěn)定和抗輻照能力強等優(yōu)點，因而成為高溫、高頻、大功率微波電子器件領域的首選材料之一，而在高頻、大功率領域的主要應用就是高電子遷移率晶體管(HEM

2、T)，或稱為異質結場效應晶體管(HFET)。
　　在GaN異質結場效應晶體管中，2DEG電子遷移率是GaN電子器件的一個重要參數，它直接影響著器件的頻率特性和功率特性，因此對2DEG電子遷移率的研究至關重要。2007年趙建芝等人首次提出了“極化庫侖場散射”的概念，且研究表明極化庫侖場散射是AlGaN/GaN HFETs、AlGaN/AlN/GaN HFETs、InAlN/AlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs中載流

3、子的重要散射機制，然這些研究僅限于極化庫侖場散射對GaN電子器件載流子低場(漏源偏壓為0.1V，即VD=0.1V)遷移率的影響。由于器件在實際工作時需在漏極、源極和柵極之間加一定的偏壓，在一定的源漏偏壓下，溝道電場分布以及器件尺寸對極化庫侖場散射的影響尚無人研究。極化庫侖場散射作為GaN電子器件中載流子新的散射機制，其與載流子的相互作用機理還有待于完善和進一步研究。因此本論文的主要目的是研究隨著漏源偏壓的增加，溝道電場分布及器件尺寸等對

4、不同GaN材料體系HFETs電子遷移率的影響，尤其是對極化庫侖場散射的影響，以便建立起極化庫侖場散射機制的理論模型。具體包括以下內容:
　　1.AlGaN/AlN/GaN HFETs線性區(qū)內的電子遷移率研究
　　制備了幾個源漏間距為100μm不同柵長的AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品，測試得到了幾個樣品的C-V特性曲線和I-V輸出特性曲線。首先基于測試數據，利用低場遷移率公式求出了不同漏源偏壓下溝道近漏端處的2DE

5、G電子遷移率，然后對求得的電子遷移率隨2DEG面密度的變化曲線進行非線性擬合，得到了不考慮電場影響時的匹配遷移率公式，在此匹配遷移率的基礎上我們給出了一個與電場相關的遷移率模型。根據給出的遷移率模型，使用準二維模型分別對幾個AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V輸出特性進行了模擬計算，得到了溝道任意位置點處的2DEG面密度、電子遷移率、溝道電場及電勢等信息。研究了AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率隨漏

6、源偏壓和溝道電場的變化關系以及柵源偏壓對2DEG電子遷移率的影響，發(fā)現在AlGaN/AlN/GaN HFETs I-V輸出特性曲線的線性區(qū)內，極化庫侖場散射依然是影響2DEG電子遷移率的重要散射機制，通過柵源偏壓和漏源偏壓的調制可以改變溝道內的2DEG面密度，改變極化電荷分布，進而影響極化庫侖場散射。
　　2.研究了溝道電場分布對AlGaN/AlN/GaN HFETs電子遷移率的影響
　　(a)基于測試數據，利用準二維模型對

7、幾個源漏間距為60μm不同柵長AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V特性進行了模擬計算。分析發(fā)現，當2DEG面密度由漏源偏壓調控時，電子遷移率隨2DEG面密度的變化出現峰值，對于不同器件尺寸的樣品而言，其峰值點對應的2DEG面密度也不同，柵長與源漏間距之比越小，峰值點對應的2DEG面密度越高。隨著2DEG面密度的增加，由漏源偏壓調控2DEG面密度和由柵源偏壓調控2DEG面密度的電子遷移率差值在不斷減小，并最終趨于一致。四個樣

8、品在峰值點處的電子遷移率差值可分別高達1829.9cm2/V·s（樣品a）、1226cm2/V·s（樣品b）、1594.3cm2/V·s（樣品c）和1033.1cm2/V·s（樣品d）。我們對峰值點處2DEG面密度所對應的溝道電場分布情況進行了分析，并通過計算得到了溝道不同位置點處AlGaN勢壘層的壓電極化，分析發(fā)現由漏源偏壓調制2DEG面密度和由柵源偏壓調制2DEG面密度兩種情況下的溝道電場分布和AlGaN勢壘層的壓電極化均有明顯的區(qū)

9、別。由于極化庫侖場的彈性散射勢正比于AlGaN/AlN界面處的負極化電荷密度差的絕對值，而分析可知，由柵源偏壓調控2DEG面密度的總負極化電荷密度差比由漏源漏源調控2DEG面密度總的負極化電荷密度差要高，因此極化庫侖場散射更強，遷移率低。由此可確定由漏源偏壓調制2DEG面密度和由柵源偏壓調制2DEG面密度的電子遷移率差值是由極化庫侖場散射引起的，從而表明溝道電場分布對極化庫侖場散射有重要影響。
　　(b)對源漏間距分別為100μm

10、和20μm不同柵長AlGaN/AlN/GaN HFETs的2DEG電子遷移率變化情況進行了分析，發(fā)現當柵長與源漏間距之比較大時（對應柵長與源漏間距之比大于1/2），極化庫侖場散射較弱，在較高的2DEG面密度下，極性光學聲子散射和界面粗糙度散射起主導作用，電子遷移率隨2DEG面密度的降低（即溝道電場的增加）而增加，當2DEG面密度降到一定值時，對極化庫侖場的屏蔽作用消失，極化庫侖場散射開始起主導作用，遷移率又會降低，因此遷移率的變化曲線出

11、現峰值。而對于柵長與源漏間距之比較小的器件(對應柵長與源漏間距之比小于1/2)，極化庫侖場散射較強，始終起主導作用，因此遷移率隨著2DEG面密度的增加而升高。由此證明，隨著溝道電場的增加，影響遷移率的散射機制跟柵長與源漏間距之比密切相關，柵長與源漏間距之比越大，極化庫侖場散射越弱，反之越強。而對于源漏間距為60μm的器件而言，當漏源偏壓調制2DEG面密度時，雖然幾個樣品的2DEG電子遷移率均隨2DEG面密度的變化（溝道電場的變化）出現峰

12、值，但可以看出柵長與源漏間距之比越小，峰值點對應的2DEG面密度越高，這也充分說明，對于柵長與源漏間距之比較小的器件，其極化庫侖場散射較強。
　　3.研究了InAlN/AlN/GaN HFETs和AlN/GaN HFETs中電子遷移率的變化
　　(a)對幾個源漏間距100μm不同柵長InAlN/AlN/GaN HFETs樣品的I-V特性進行了模擬，結果顯示AlGaN/AlN/GaN HFETs的模擬方法和使用的遷移率模型同樣

13、適用于InAlN/AlN/GaN HFETs。對InAlN/AlN/GaN HFETs中的2DEG電子遷移率變化進行了研究，發(fā)現與AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的變化情況類似，在InAlN/AlN/GaN HFETs中，當2DEG面密度由漏源偏壓進行調制時，遷移率隨2DEG面密度的變化曲線也出現峰值，柵長與源漏間距之比越小，峰值點對應的2DEG面密度越高，且隨著2DEG面密度的增加，由漏源偏壓調制2DEG面密

14、度和由柵源偏壓調制2DEG面密度的電子遷移率差值逐漸減小，并趨于一致，峰值點處的電子遷移率差值可分別高達1522.9cm2/V·s（樣品1）、1241.1cm2/V·s（樣品2）和1273.2cm2/V·s（樣品3）。分析知，盡管在In0.18Al0.82N/AlN/GaN異質結構中，InAlN與GaN晶格匹配，不存在應力，然而由于在InAlN勢壘層和GaN溝道層中間插入了一層薄的AlN插層，AlN與GaN晶格不匹配，根據逆壓電效應，溝

15、道電場的變化會導致AlN插層中的應力發(fā)生變化，進而影響到InAlN勢壘層。當器件上施加的漏源偏壓和柵源偏壓發(fā)生變化時，柵金屬下的極化電荷密度也會發(fā)生變化，導致在In0.18Al0.82N/AlN/GaN HFETs內極化電荷分布不均勻，進而產生極化庫侖場，散射2DEG電子。由此可知，在InAlN/AlN/GaN HFETs中，極化庫侖場散射仍是主要的散射機制，且溝道電場分布對極化庫侖場散射有重要的影響，由于溝道電場分布的不同，導致由漏源

16、偏壓調制2DEG面密度和由柵源調制2DEG面密度的電子遷移率出現差值。此外，器件的柵長與源漏間距之比越小，極化庫侖場散射越強。
　　(b)對源漏間距為60μm不同柵長AlN/GaN HFETs的I-V輸出特性進行了模擬計算，并對AlN/GaN HFETs的2DEG電子遷移率變化進行了分析。發(fā)現在AlN/GaN HFETs中，對于a、b和c三個樣品而言，其柵長與源漏間距之比較大，當2DEG面密度由漏源偏壓調制時，在較高的2DEG面密

17、度下，極化庫侖場散射被屏蔽，極性光學聲子散射和界面粗糙度散射起主要作用，因此遷移率隨2DEG面密度的降低而增加，隨著2DEG面密度的繼續(xù)降低，對極化庫侖場的屏蔽作用減弱，當2DEG面密度降低到一定值時，極化庫侖場散射開始起主導作用，遷移率又會隨2DEG面密度的降低而降低，因此遷移率變化曲線出現峰值。對于d樣品來說，柵長與源漏間距之比較小，極化庫侖場散射較強，因此遷移率隨2DEG面密度的增加而增加。與AlGaN/AlN/GaN HFETs

18、和InAlN/AlN/GaN HFETs一樣，由漏源偏壓調制2DEG面密度和由柵源偏壓調制2DEG面密度的遷移率差值隨2DEG面密度的增加而降低，并最終趨于一致。我們通過計算得到了溝道電場和AlN勢壘層壓電極化隨溝道位置的變化關系，發(fā)現兩種調制情況下的電場分布和勢壘層壓電極化有明顯的不同，由此說明在AlN/GaN HFETs中，溝道電場分布對極化庫侖場散射仍有重要影響，不同的電場分布會導致極化電荷分布不均勻，進而影響極化庫侖場散射，因此