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AlGaN/GaN HEMT微加速度计的设计和温度特性研究

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  • 发布时间:2014-08-30
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科 学 技 术 与 工 程 13卷式(1)中, 是外加栅压的大小; 是阈值电压;( )为AIGaN层的介电常数;d 为掺杂的A1GaN的厚度;di是不掺杂的A1GaN隔离层的厚度。

假定电子在距离源端 z 处以速度 ( )运动,则此处电流为,Dsqn ( )V(Ez)WG (2)如果离源端为 处的压降为 V(z),则 处的2DEG浓度为[ s- ( )-V(z)] (3)式(3)中, 为总栅宽。

AIGaN/GaN基 HEMT的 , 特性 曲线跟 硅MOS场效应管的 ,. 特性基本相同,可分为两个区间,分别是线性工作区和饱和工作区,它们的,-1,曲线有不同的特性。

(1)线性工作区中的沟道电流为,Ds V(/g):VDSqn WG0 ,DsJ (z) J (0 Ud d ( GS ㈤) DS-譬 (i) G th 丁J(4)式(4)中, 是载流子传输速率。

(2)饱和工作区的饱和电流为,D 等等 [雁 川(5)式(5)中, 为沟道中电子的饱和速度。

根据以上公式的分析,我们发现源漏电流,D 与阈值电压 、掺杂的 A1GaN层的厚度 d 和不掺杂A1GaN层的厚度d;、迁移率 、栅长和栅宽以及掺杂的A1GaN层的密度都有密切的关系。除去这些材料和结构本身的因素之外,温度对 HEMT结构输出特性的影响反映在以下两方面:(1)温度的变化会影响载流子的迁移率 。而线性区和饱和区电流的大小又受载流子迁移率变化的影响。其中影响载流子迁移率的主要原因是几种散射机制。这些散射机制跟迁移率-样,它们对温度 的灵 敏度都 很 高。在此 A1GaN/GaN基HEMT微结构中,主要发挥作用的是声学声子和光学声子的散射。但是根据温度范围的不同,这两种散射机制发挥作用的主次也不同。迁移率和温度之间的关系可以用下面的公式来定义 :tx (ro) / (ro300 K) (6)(2)温度的变化能够影响阈值电压 。由于此HEMT为耗尽型的场效应管,因此当栅源电压小于阈值电压时,2DEG将会被耗尽,沟道就不存在了。

根据以上公式分析,求解泊松方程,得到阈值电压的表达式为m ㈤ - - (dd )-I(AEc-Ev)g(7)式(7)中,E 为费米能级;or( )是极化产生的面电荷密度; ( )是肖特基势垒高度;AE 为导带不连续量;Nd为A1GaN层的掺杂浓度∩见阈值电压不仅与材料和器件结构有关联,而且与肖特基势垒的高度、异质结界面的导带不连续性都有密切的关系,其中禁带宽度具有负温度系数 。

E ( )1.52-5.41 T2/(T204) (8)结果显示,随着温度的升高,阈值电压 就会降低,因此,,。 就会减校但是线性区的沟道电流, 和饱和区的饱和电流IDDS深受迁移率 大小的影响,所以,需要研究,。 和IDDS在不同温度下的变化。

3 实验验证及结果分析为了研究 A1GaN/GaN基 HEMT加速度计在不同温度范围内输出特性的变化趋势,准确把握器件的温漂对微结构带来的影响,有必要进行微结构的温度特性实验。

首先利用实验室的安捷伦 4156C半导体分析仪对 AIGaN/GaN基 HEMT器件在常温下的电流电压特性 进行测量,如 图 3(a)所 示,栅压 为- 2.5-0 V。然后用高低温试验箱和半导体特性分析仪相结合的方式测量 HEMT器件在不同温度下的电流电压输出特性,将 A1GaN/GaN HEMT微悬臂梁加速度计固定在高低温设备中,通过引线与半导体特性分析仪相连接,高低温试验箱温度控制在 -5050℃变化,并且温度每升高 10℃采集-次数据。栅压 。为0 V,VD 在0-5 V变化。图3(b)显18期 赵晓霞,等:A1GaN/GaN HEMT微加速度计的设计和温度特性研究示了不同温度下 HEMT的输出特性,如图所示 Al-GaN/GaN基 HEMT器件在不同温度下的 特性曲线是随着温度的升高而下降,源漏 电流逐渐减小,这表明HEMT属于耗尽模式。

图3 A1GaN/GaN基 HEMT在常温 F的 - 特性(a)和不同温度下的 , 特性(b)总之,A1GaN/GaN基 HEMT的,。s将随着温度的增加而降低。在图 3(b)中我们发现 ,- 特性曲线随着温度的变化很稳定,说明 A1GaN/GaN基HEMT器件在这个温度范围内的不同温度下都能正常工作。

图4(a)-(d)显示的是随着温度的增加,并且在栅压 为0 V, 分别为0.5 V、1 V、2 V、5 V时,HEMT器件,。 的变化。由测试结果得出,随着温度的增加,当栅压-定时,器件 ,- 特性曲线逐渐向下偏移,源漏电流逐渐减小,并且,这种偏移在线性区随漏压的逐渐增大而增大,当进入饱和区后,偏移达到最大且不再随漏压的变化而变化。经计算得出HEMT在饱和工作区的温度系数大约为 0.027mA/%。此时影响,。 的因素中,阈值电压负温度系数的影响可以忽略,温度变化对载流子迁移率的影响占主导地位。HEMT在饱和工作区电流的变化和先前的理论分析是-致的。随着温度的升高 HEMT器件的 ,- 特性曲线向下偏移的原因是,温度升高将导致异质结半导体的能带结构和晶格常数发生变化,从而对谷间能量的分裂产生影响,而且电子的各种散射机制也依赖于温度,这些都使载流子迁移率和2DEG浓度发生了变化。在宏观上就表现为器件的输 出特性的变化。由此可见,A1GaN/GaNHEMT的温度系数和 GaN材料的射频电阻对所设计的微加速度计的影响较小,微结构能够在极端环境下正常工作。

4 结论利用纤锌矿三族氮化物制作了 A1GaN/GaN异质结构,材料的自发极化和压电极化效应使结构内部产生了2DEG,根据这个原理制备出微加速度计。

从理论上分析了多层结构中的温度的变化给加速度计的输出特性带来的影响,结果表明温度的变化影响载流子的迁移率 和阈值电压 。测量沟道电导中的, 就能得到 2DEG的电子迁移率。通过微加速度计的 ,- 特性可以看出,随着温度的增加饱和电流逐渐下降,并且在到达饱和区后,电流变化幅度最大,能达到0.027 mA/℃。

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