1、信息化已成為當(dāng)今社會發(fā)展的大趨勢，微電子技術(shù)在推進社會信息化進程中起了很大作用。而半導(dǎo)體器件性能的提高直接影響了微電子技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體器件在以高效率、小型化等為發(fā)展目標(biāo)不斷追求技術(shù)進步的同時，也越來越注重追求低污染、低能耗的環(huán)保優(yōu)點。采用新興半導(dǎo)體材料與器件實現(xiàn)高效小型及節(jié)能環(huán)?？滩蝗菥?。其中，作為GaN基電子器件重要代表的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(AlGaN/GaN HFETs)，因其優(yōu)異的高溫高頻大功率等特性能夠滿足當(dāng)

2、今社會發(fā)展對半導(dǎo)體器件高性能的要求，而備受國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
　　早在2010年，商用AlGaN/GaN HFETs器件就已推向市場。近年來，隨著GaN技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能商用AlGaN/GaN HFETs產(chǎn)品不斷更新并已在越來越多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。其中，高溫領(lǐng)域的應(yīng)用是AlGaN/GaN HFETs的重要優(yōu)勢之一。因此對器件特性隨溫度變化的研究非常必要。目前有關(guān)AlGaN/GaN HFETs器件變溫特性的報道集中在對高溫下其飽和漏

3、電流密度、跨導(dǎo)和截止頻率等的下降上即其電學(xué)特性退化的評估上，而缺乏對其退化機理的深入探討。明確器件性能參數(shù)隨溫度變化的規(guī)律和機理是實現(xiàn)器件在高溫下保持高性能的基礎(chǔ)。電子遷移率是研究器件性能參數(shù)的重要參數(shù)。而散射機制是電子遷移率的重要影響因素。因此研究散射機制隨溫度變化的規(guī)律對分析器件的性能參數(shù)受溫度的影響至關(guān)重要。2007年，在對AlGaN/GaN HFETs器件輸運特性的研究中，一種新散射機制—極化庫侖場散射(PCF散射)被首次提出。

4、PCF散射源于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處分布不均勻的極化電荷。器件制造過程中金屬淀積工藝及器件工作過程中漏極和柵極所加電壓導(dǎo)致源漏間AlGaN勢壘層應(yīng)變分布不均勻是引起異質(zhì)結(jié)界面處極化電荷分布不均勻的主要原因。從2007年P(guān)CF散射機制被首次提出，到2014年這一新散射機制理論模型建立，極化庫侖場散射理論在不斷完善中已歷經(jīng)近10年發(fā)展。期間直至目前理論驗證和修正的研究工作一直在進行。然而這些研究大都僅限于室溫下PCF散射對GaN電子

5、器件載流子輸運特性和器件電學(xué)特性的影響。變溫情況下PCF散射對GaN電子器件載流子輸運特性和器件電學(xué)特性的影響尚需研究和探討。因此本論文主要就溫度對AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(AlGaN/AlN/GaN HFETs)中二維電子氣(2DEG)電子遷移率(μn)和器件電學(xué)參數(shù)的影響進行了研究(目前的AlGaN/GaN HFETs器件都是采用了有薄AlN插層的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，本論文研究的AlGaN

6、/GaN HFETs器件，都是AlGaN/AlN/GaN HFETs器件)，特別是溫度變化過程中，就PCF散射對AlGaN/AlN/GaN HFETs器件中μn的影響進行了研究，進而分析研究了高溫過程中，PCF散射對AlGaN/AlN/GaN HFETs器件的性能參數(shù)Rs(柵源間寄生電阻)的影響情況。具體包括以下內(nèi)容:
　　1、AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子體系的變溫研究
　　制備了源漏間距100μm，

7、柵長30μm的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，對制備的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件進行了變溫電流-電壓(I-V)和電容-電壓(C-V)測試，基于測試得到的不同溫度下的C-V和I-V曲線，并通過在Matlab環(huán)境下薛定諤方程和泊松方程的自洽求解，研究了溫度對AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子體系(包括2DEG的濃度、子帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和三角形勢阱深度等)的影響。發(fā)現(xiàn)AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)

8、結(jié)界面處的三角形勢阱隨溫度的升高而逐漸變淺變寬，對2DEG電子的限制作用也隨之逐漸變?nèi)?，?dǎo)致2DEG電子分布逐漸延展向GaN一側(cè);且柵偏壓為零時的2DEG電子密度、費米能級Ef和異質(zhì)界面極化電荷密度隨之逐漸減小。這其中一個原因是隨溫度上升，電子熱激發(fā)能(KBT)增大，三角形勢阱中的2DEG電子熱激發(fā)到更高能態(tài)的幾率增大，2DEG電子體系的量子特征減弱;另外一個重要原因歸為AlGaN勢壘層及GaN溝道層具有的熱膨脹系數(shù)不同，因此升高溫度，

9、將減小AlGaN勢壘層的應(yīng)變能，從而會減弱AlGaN勢壘層的極化電場，進而將變淺三角形勢阱的阱深，最終降低了2DEG電子的限制作用。
　　2、AlGaN/AlN/GaNHFETs中2DEG電子遷移率的變溫研究
　　(a)室溫下AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的研究。制備了源漏間距為100μm、柵長為40μm的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件，并通過實驗測得的AlGaN/AlN/GaN HF

10、ETs的C-V、I-V特性曲線，結(jié)合理論計算定量研究了室溫下各種散射機制(長縱光學(xué)聲子散射(LO聲子散射)、界面粗糙度散射(IFR散射)、聲學(xué)形變勢散射(DP散射)、壓電散射(PE散射)、位錯散射(DIS散射)以及PCF散射)對AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵下溝道2DEG電子遷移率的影響。通過μn隨2DEG面密度的變化進行分析表明:室溫下LO聲子散射對μn的大小起主導(dǎo)作用，而PCF散射對μn隨2DEG面密度的變化趨勢起主導(dǎo)作

11、用。
　　(b)AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的低溫研究。通過對所制備的器件(低溫研究器件與室溫研究器件相比，除在異質(zhì)結(jié)材料體系上有所不同外，器件尺寸和器件工藝等方面都一樣)在100～300K范圍內(nèi)進行C-V和-V曲線測試，并應(yīng)用馬西森定則定量分析了低溫100～300K下各散射機制對AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的影響。通過對低溫100～300K范圍內(nèi)μn隨2DEG面密度變化

12、情況的分析表明:100～200 K溫度范圍，PCF散射是柵下溝道載流子最重要的散射機制，PCF散射對柵下溝道中μn的大小及μn隨2DEG面密度變化的趨勢都起主導(dǎo)作用;隨著溫度的升高PCF散射對μn的影響不斷減弱，出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因為:溫度升高過程中LO聲子散射不斷增強，導(dǎo)致PCF散射對μn影響的比重不斷減小。
　　(c)不同器件結(jié)構(gòu)的AlGaN/AlN/GaN HFETs中2DEG電子遷移率的高溫研究。制備了源漏間距均為100

13、μm、柵長分別為30μm、50μm及70μm的三個方形AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品。通過高溫300～500K范圍內(nèi)測試得到的C-V、I-V特性曲線，分析了高溫300～500K下的三個樣品中μn隨2DEG面密度的變化情況。研究表明:在300～500K溫度范圍內(nèi)，PCF散射依然是AlGaN/AlN/GaN HFETs器件中柵下溝道載流子的一種重要散射機制，特別是對LG/LSD較小的器件(LG/LSD＜1/2)，即使在溫度上升到

14、500K時，PCF散射依然對柵下溝道中μn隨2DEG面密度的變化趨勢有重要影響。
　　3、AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵源間電阻RS的高溫研究
　　(a)溫度對柵源間電阻Rs的影響。制備了源漏間距、柵源間距及柵長分別為100μm、20μm及20μm的方形AGaN/AlN/GaN HFETs器件，并通過高溫300～500K范圍內(nèi)測得的I-V、 C-V特性曲線及柵探針法測得的RS，分析研究了溫度對AlGaN/AlN/

15、GaN HFETs中Rs的影響，特別是就不同溫度下PCF散射對RS的影響進行了研究。研究表明:在300～500K溫度范圍內(nèi)，PCF散射對AlGaN/AlN/GaN HFETs中的RS有重要影響;隨溫度增加，在同樣正向柵源電流條件下，柵源偏壓降低，柵下附加極化電荷量減小，其對應(yīng)的PCF散射勢減弱，從而使得PCF散射對Rs的影響降低;通過對AlGaN/AlN/GaN HFETs中RS的變溫分析證實了柵下附加極化電荷對應(yīng)的附加散射勢(PCF散

16、射勢)與歐姆接觸附近附加極化電荷對應(yīng)的附加散射勢(PCF散射勢)在散射AlGaN/AlN/GaN HFETs器件柵源間溝道載流子時存在相互作用。
　　(b)不同器件結(jié)構(gòu)的AlGaN/AlN/GaN HFETs中柵源間電阻RS的高溫研究。制備了源漏間距和柵長均為100μm和20μm，柵源間距分別為10μm及30μm的兩個方形AlGaN/AlN/GaN HFETs樣品。通過高溫300～500K范圍內(nèi)測試得到的C-V、I-V特性曲線及柵