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现代物理学快报B 2150008（11页）
世界科学出版公司DOI:10.1142/S0217984921500081
AlGaN/GaN HEMT中电子迁移率与欧姆接触宽度关系的研究
Ming Yang,Qizheng Ji*,Xinguang Su,Weihong Zhang,Paryuan Wang and Lei Wang
北京东方计量测试研究院，北京100094
*qizhji@163.com
胡晓峰、袁青云
解放军陆军工程大学电磁环境工程国家重点实验室，石家庄050003
冯培元
北京航天器系统工程研究所，北京100094
杨柳
北京仁物飞翔科技有限公司。
中国北京100086
收到2020年5月17日
2020年6月27日修订
2020年7月1日接受
发表于2020年9月18日
对制备的具有不同欧姆接触宽度的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的栅沟道电子迁移率进行了实验研究。迁移率曲线显示出非常不同的值和趋势。用散射理论研究了AlGaN/GaN HEMT中的这一现象。AlGaN/GaN界面极化电荷分布的差异是导致迁移率变化的主要原因。欧姆接触宽度较小的AlGaN/GaN HEMT对应于欧姆接触附近的正附加极化电荷。欧姆接触宽度较大的Al-GaN/GaN HEMT对应于欧姆接触附近的负附加极化电荷。改变欧姆接触宽度将是优化AlGaN/GaN HEMT特性的一个新方向。
关键词：AlGaN/GaN HEMT；欧姆接触；极化。
*通讯作者。
M.Yang等人。
导言
GaN是第三代半导体的代表。基于GaN结构材料制备了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）。由于高电子迁移率和高击穿电场的独特特性，AlGaN/GaN HEMT在高温、高频、高功率应用领域显示出巨大的潜力。近30年来，1,2 Al-GaN/GaN HEMT一直是研究的热点。许多创造性的研究正在推动AlGaN/GaN HEMT的发展。3-8其它半导体和纳米材料如WO3.9-15也是如此。自发极化和压电极化是GaN的基本特性。极化库仑散射是AlGaN/GaN HEMT中的一种重要散射机制，器件尺寸与PCF散射强度和电子输运特性直接相关。16-23欧姆接触宽度是器件尺寸的一个重要参数。然而，从光子晶体光纤散射的角度来看，欧姆接触宽度一直是研究的热点。它实际上导致了设备优化尺寸的不足。因此，为了进一步改进AlGaN/GaN HEMTs，开展流动中欧姆接触宽度的研究是非常重要和必要的。
本文对不同欧姆接触宽度的AlGaN/GaN HEMT的栅沟道电子迁移率进行了实验测量和理论计算。研究了欧姆接触宽度对栅沟道电子迁移率的影响。
实验
外延层结构和器件结构如图所示。1.采用分子束外延法在蓝宝石衬底上生长外延层。从衬底到顶部,外延层包括40nm的AlN成核层、1.5micro;m的GaN层、1nm的AlN夹层和14.9nm的Al0.24Ga0.76N条状层。在室温下进行霍尔测量。结果表明,二维电子气(2DEG)片密度n2D为8.5times;1012cm-2,电子迁移率micro;n为2030cm2/V。S.
AlGaN/GaN HEMT的制备是从BCl3/Cl2离子刻蚀台面隔离开始的。为了形成欧姆接触，在台面上沉积了Ti/Al/Ni/Au金属。然后在800O下快速热退火30 s。升温时间和降温时间均为10 s。欧姆接触电阻RC
测量结果为0.98Ω。栅极肖特基接触是通过沉积Ni/Au形成的。栅极长度LG为10micro;m，栅极宽度WG为100micro;m。漏源距离LDS为60micro;m。门-
源极距离LGS和栅极-漏极距离LGD均为25micro;m。欧姆接触宽度WOhm为20micro;m、60micro;m和100micro;m，分别称为WOhm-20、WOhm-60和WOhm-100。
电子迁移率与欧姆接触宽度的关系研究
图。1.AlGaN/GaN异质结构材料及器件结构示意图。
结果和讨论
三种制备的AlGaN/GaN HEMT在1 MHz时测量的电容-电压（C-V）曲线几乎相同，这是由于相同的栅肖特基面积。C-V曲线如图所示。2.通过积分C-V曲线，得到2DEG电子密度n2D与栅电压的函数关系：
其中VT为阈值电压，VG为栅极电压，e为电子电荷，S为栅极肖特基面积，C为实测电容值。所获得的2DEG电子密度n2D作为栅极电压的函数如图1所示。3.
图。2.实测C-V曲线。
M.Yang等人。
图。3.得到了2DEG电子密度n2D与栅电压的函数关系。
得到的栅沟道电子迁移率如下
在上述三个公式中，RGD/RGS为漏极/源极访问电阻，WGD/WGS为栅极-漏极/栅极-源极访问区的宽度，n2D0和micro;N0为2DEG片密度和VG=0 V时的电子迁移率。VDS为施加的低漏极-源极电压，VDS=0.1 V在本研究中采用，主要涉及低电流可移动性。18,21 IDS为VDS=0.1 V时测量的漏极-源极电流，如图所示。4.考虑到阈值电压为_3 V左右，栅极电压范围为_6 V至0.5 V。
在VDS=0.1V下获得的栅沟道电子迁移率如图所示。5（“实验”）。发现所制备的AlGaN/GaN HEMT的栅沟道电子迁移率值和趋势有很大差异。对于欧姆接触宽度较小的AlGaN/GaN HEMT,如WOhm-20,其电子迁移率值较小,且随栅压的升高而下降。对于带有
较大的欧姆接触宽度，如WOhm-100，电子迁移率值较大，且随栅压的升高曲线上升。对此现象分析如下。
在AlGaN/GaN HEMT中,栅沟道电子迁移率由光学声子(POP)散射、声学声子(AP)散射、位错(DIS)散射、界面粗糙度(IFR)散射和PCF散射决定
电子迁移率与欧姆接触宽度的关系研究
图。4.测量了不同欧姆接触宽度的AlGaN/GaN HEMT在漏源电压vDS=0.1V时的I-V曲线。
图。5.通过实验获得了不同欧姆接触宽度WOHM的AlGaN/GaN HEMT的栅沟道电子迁移率与栅电压的关系。
AlGaN/GaN异质结材料。PCF散射不仅由AlGaN/GaN异质结构材料的固有参数决定，还与AlGaN/GaN HEMT尺寸有关。由于三种AlGaN/GaN HEMT是在相同的AlGaN/GaN异质结构上制备的，因此材料的固有参数均为
M.Yang等人。
图。6.Al-GaN/GaN界面附加极化电荷分布示意图。
一样的。因此，栅沟道电子迁移率曲线的不同行为必须归因于PCF散射。
PCF散射是由AlGaN/GaN界面上的附加极化电荷引起的。23图6显示了AlGaN/GaN界面上的附加极化电荷分布示意图。27？？1是欧姆接触附近的附加极化电荷。它是由欧姆接触形成过程中的快速热退火过程诱发的。对于传统的设备，比如WOhm-
100，欧姆接触宽度与栅极宽度和栅极-源极/栅极-漏极访问区宽度相同。在快速热退火过程中，金属原子向AlGaN晶格中扩散，破坏了AlGaN的晶格结构。27自发极化和压电极化被破坏或部分破坏，导致负极化。27-3是栅诱导的附加极化电荷
通过反向压电E的电压VG，如下所示：25-27
其中C33为弹性张量，e33为压电系数，dAlGaN为AlGaN势垒层厚度。2（图6）所对应的区域不是由金属原子扩散或栅极电压所决定的，因此其为0.27
光子晶体光纤的散射强度与光子晶体光纤的散射强度V（x,y,z）的平方成正比。V(x，y，z)由附加极化的分布得到
电子迁移率与欧姆接触宽度的关系研究
指控如下:23、27、28
在该方程中，介电常数s是GaN的介电常数，l是用距离表示的金属电导率（图6）。
器件WOhm-100是一种传统器件，其欧姆接触宽度WOhm等于WG、WGS、WGD。对于WOhm-100，附加极化电荷分布由图的顶部部分示出。6,其中？？1为负值。根据公式27。（5）和（11）,光子晶体光纤的散射强度随散射强度的增加而减弱
因此，栅沟道电子迁移率随VG的增加而增加，如图1所示。5.对于欧姆接触宽度较小的器件，如WOhm-20，电子迁移率随VG的增加而减小，因此不能解释为传统情况。
以前的研究表明Ti/Al合金退火在一定情况下可以增加2DEG密度。29,30表示AlGaN/GaN界面处拉伸应变的增加和极化电荷的增加。对于器件WOhm-20,欧姆接触宽度较小,金属原子的扩散会扩大或等效地扩大AlGaN拉伸应变。29,30,33不引起或仅部分地引起
导致晶格结构的破坏。因此，在欧姆接触附近，在范围l内，附加极化电荷是正的或等效正的，如图1的底部部分所示。6.而且正附加极化电荷起主导作用，因此电子迁移率较低。根据方程，随着VG的增加，PCF的散射变得更强（5）和（6）因此，电子迁移率随VG的增大而减小，如图1所示.
WOhm-60器件的欧姆接触宽度与WOhm-20和WOhm-100器件的欧姆接触宽度相比处于中等水平,因此其迁移率值和迁移率趋势介于WOhm-20和WOhm-100之间。这实际上是一个演示
上面的解释。为了进一步的研究和论证，进行了如下的理论计算。
对于AlGaN/GaN HEMT中的栅沟电子,2DEG电子波函数为(x，y，z)=a-1/2(z)exp(ikxx ikyy)。这里,A是二维归一化常数,b=(33m*e2n2d/8sz2),kx和ky是k在x方向和y方向的分量（图6）,m*
M.Yang等人。
23,24,34对于从初始状态k到初始状态k/的转变，矩阵元素由下式表示：
qy是波矢g在x方向和y方向上的分量。PCF散射的与能量有关的散射速率？PCF(E)如下式所示：
筛选函数S（q,Te）为
在情商中。（9）,Te为电子温度,形状因子F(q)为
极化率函数Ⅱ(q,Te,E）为
(11)，kF=(2？n2d)1/2是费米波矢，(x)是通常的阶跃函数，EF是费米能。PCF散射的动量弛豫时间根据下式得到：
费米函数f0(E)如下所示：
f
对于POP、AP、DIS和IFR散射，动量弛豫时间可根据先前的研究计算。24、34所有散射的计算动量弛豫时间如图所示。7.通过执行Matthiessen规则，总动量弛豫时间将计算如下：
最后，栅沟道电子迁移率micro;n由下式得到：
。
*
电子迁移率与欧姆接触宽度的关系研究
图。7.对不同欧姆接触宽度的AlGaN/GaN HEMT的POP散射、AP散射、DIS散射和IFR散射的动量弛豫时间为7POP、7AP、7DIS和7IFR,PCF散射的动量弛豫时间为7PCF。
计算结果如图1中虚线所示。5.计算结果与实验结果吻合较好，进一步说明了迁移率随欧姆接触宽度的变化是PCF散射引起的。结果表明，通过改变欧姆接触宽度和充分利用附加极化电荷分布，可以有效地调制AlGaN/GaN HEMT沟道电子输运特性。为AlGaN/GaN HEMT器件的优化设计提供了新的思路。
结论
本文分析了欧姆接触宽度对AlGaN/GaN HEMT栅沟道电子输运特性的影响。结果表明，不同的电子迁移率曲线均源于PCF的散射。不同的欧姆接触宽度对应于不同的附加极化电荷分布，从而对应于不同的PCF散射强度。在AlGaN/GaN HEMTs中,栅沟道载流子迁移率与器件特性（如超导纳、开路频率、最大振荡频率、开关特性等）直接相关。根据本文的研究结果，改变欧姆接触宽度是今后器件设计的一个新的方向。根据对AlGaN/GaN HEMT特性的不同要求，设计人员可以选择合适的欧姆接触宽度。此外，由于本研究仅关注低密度（VDS=0.1 V)，欧姆接触宽度与载流子之间的关系
M.Yang等人。
AlGaN/GaN HEMT在饱和区（较大VDS）的输运特性有待进一步研究。这将有利于AlGaN/GaN HEMT的进一步发展。
鸣谢
本工作得到了国家自然科学基金项目（批准号：61904007）的资助。
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