AlGaN/GaN MIS-HEMT器件MIS结构界面态研究(2)
随着微电子材料的迅速发展，器件的功率输出密度等性能得到了不断的提高，传统的半导体材料如Si和GaAs 都受到了较大的挑战。在此情况下，宽禁带半导体材料，尤其是SiC和GaN及其三元固溶体组成的材料体系，受到了更密切的关注，称其为第三代半导体材料[1-8]。
GaN与其三元固溶化合物形成异质结构具有如下优点：1）禁带宽度高，因此其适合于高温、高压环境下的应用。AlGaN/GaN HEMT可以适应300℃以上的工作环境[9]。另外，GaN是直接带隙半导体，所以GaN材料在探测器和发光器有很好的应用前景。2）电子饱和漂移速率高（2.5×107cm/s），比Si和GaAs都高。这使得在高场情况下，器件具有非常高的电流密度和功率,并且这还有利于提高器件的频率特性和开关速度。3）击穿电场高（3×106V/cm），比Si和GaAs高十几倍。除此之外，高击穿场强的材料还可以获得很高的功率性能。4）AlGaN/GaN异质结构容易获得，同为宽禁带半导体材料,这是SiC所不具备的。5）GaN材料本身的其他的优点还包括：耐腐蚀，热导率高等[10]。
因此，AlGaN/GaN HEMT将在电力电子器件领域和微波大功率器件领域有非常大的应用优势。目前其主要应用于： WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave，微波存取全球互通）、航空航天、国防和空间领域、移动通信基站、混合动力及纯电动汽车、光伏逆变和马达驱动等。
1.1.2AlGaN/GaN HEMT性能研究进展
研究者们对于AlGaN/GaN HEMT器件的研究工作已经开展了二十年。世界上首个AlGaN/GaN HEMT是由Khan等人于1993年制备的[11]，但是他们只对其直流特性进行了研究。1994年，他们又对器件的交流频率特性进行了研究：最高振荡频率fmax为14 GHz，截至频率fT为11GHz[12]。在此之后，很多研究者纷纷投入到该领域的研究中，使器件的性能参数得到了很大的飞跃。
1999年，Q. Chen等人[13]制备的器件的输出饱和电流密度达到了1.71 A/mm，成为当时报道过的器件的输出饱和电流密度的最大值。到了2003年，AlGaN/GaN HEMT器件的最高输出饱和电流密度已经达到了2.1 A/mm [ 14 ]。2004年，器件的截止频率提高到了150GHz[15]。2006年，M. Higashiwaki等人通过0.06~0.2m的栅长、40%高Al组分，8nm厚的AlGaN势垒层以及采用300℃ cat-CVD技术生长的2nmSiNx作为钝化层和栅介质层，获得了163GHz截止频率fT和192 GHz最高震荡频率 [3]。此后，他们进一步将栅长减小到30nm，又将器件的截止频率提高到180GHz[4]，该器件的栅长也是当时世界上的最高工艺水平。跨导能够表征器件的放大能力，其对于器件而言是一个非常重要的参数。2005年，研究者报道了跨导为437mS/mm的HFET[4]。同时该器件的功率密度达到了9.1W/mm，PAE （Power-Added Efficiency,附加功率效益) 23.7%@18GHz。对于大功率器件而言，高功率一直是研究者们追求的目标。2000年，研究者通过运用Si3N4做为钝化层减小了电流崩塌现象，大大提高了器件的功率特性，该器件的P=4W/mm，PAE=41%（@4GHz,VDS=25V）[5]。2004年，Y.-F. Wu的研究小组在4GHz，VDS=120V的测试条件下，获得了32.2 W/mm,的输出功率密度 和54%的PAE，这也创下了当时的记录 [6]。该器件获得巨大成功有几下几个原因：1）采用了SiC衬底，其导热性非常好；2）异质结采用了AlN插入层，可以得到质量高的异质结界面势阱，同时又防止了合金无序散射，提高2DEG面密度及迁移率，有利于减小电流崩塌效应，提高源漏间的电流密度；3）采用了钝化技术，通过生长SiNx钝化层成功抑制了电流崩塌现象；4)采用了场板结构，提高了器件的击穿电压，器件的漏极与场板边缘间距大于2m，又避免了提前击穿。2006年，该研究组又将器件功率密度刷新到41.4 W/mm，PAE为60％@4GHz,VDS=135V[16-17]。
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