【摘 要】
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Ⅲ族氮化物半导体材料由于其大的禁带宽度、高电子饱和速度、耐高温、耐击穿和抗辐射等优异的物理化学特性,在高温、高频、大功率电子器件领域有着比Si基MOSFET、AlGaAs/GaAs HEMT更广阔的应用前景。尽管GaN基电子器件具备上述多种优势,该器件工作的可靠性问题一直是阻碍其商业化应用的瓶颈。为提高GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的可靠性,需对GaN基异质结光学特性、变温应变情况、高场条
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Ⅲ族氮化物半导体材料由于其大的禁带宽度、高电子饱和速度、耐高温、耐击穿和抗辐射等优异的物理化学特性,在高温、高频、大功率电子器件领域有着比Si基MOSFET、AlGaAs/GaAs HEMT更广阔的应用前景。尽管GaN基电子器件具备上述多种优势,该器件工作的可靠性问题一直是阻碍其商业化应用的瓶颈。为提高GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的可靠性,需对GaN基异质结光学特性、变温应变情况、高场条件下HEMT器件的退化机制等进行深入细致的分析。本文围绕GaN基异质结及其电子器件,从理论和实验两方面展开研究,主要研究内容和研究成果如下:1、通过紫外拉曼散射实验研究和界面声子色散关系的理论计算,证实当入射紫外光（325 nm）能量与GaN基异质结三角量子阱内价带到导带第一子带能量间距相当时,可观察到由界面声子引起的共振拉曼散射峰。并首次研究了AlGaN/GaN异质结中频率为600 cm-1的界面声子的异常温度依赖特性,温度升高,界面声子频率蓝移,并给出了相应的物理解释:由于GaN基异质结界面处存在很强的内建电场（MV/cm）,与材料的等效电偶极子的电偶极矩方向相同,使总偶极矩增大,即正负离子间距增大,从而使光学晶格振动减弱,即内建场导致界面声子频率红移;而随着温度升高,此内建场减小,进而对界面声子的影响减弱,导致界面声子频率蓝移。2、采用多层膜热失配模型计算了 AlGaN/GaN异质结内热应力的温度依赖关系。结果表明:随着温度升高,AlGaN势垒层内张应力增大,该计算结果与通过变温拉曼散射得到的势垒层应力随温度的变化规律一致,从理论和实验上证实了 AlGaN势垒层内张应力会随温度升高而增大的规律,为目前普遍认为的高温下势垒层应变弛豫是AlGaN/GaN异质结HEMT器件性能退化的一个主要原因这一观点提供了理论和实验依据。3、首次利用绝缘介质与AlGaN/GaN异质结势垒层热膨胀系数差异,通过引入比AlGaN热膨胀系数大一倍的MgO薄膜来阻止AlGaN势垒层因温度升高而产生大的张应变,由此创新发展了一种MgO/SiN双层介质技术,既保留了 SiN介质的钝化效果,又抑制了 AlGaN势垒层高温下张应变的增加,有利于提高AlGaN/GaN异质结HEMT器件高温可靠性。并依据电介质淀积前后异质结界面声子频率的变化和二维电子气浓度的变化,证明了高温淀积的MgO电介质在AlGaN势垒层中引入了附加压应力。4、通过分别施加Vgs=0 V,Vds=20 V和Vgs=-10 V,Vds=20V的开态和关态电应力测试表征了 AlGaN/GaN HEMT器件的退化情况,并研究了电应力撤除后器件的恢复情况。研究表明,开态电应力下,随应力施加时间的增长,器件性能逐步退化,阈值电压发生微小正向漂移,一定时间后器件性能稳定,其退化的物理机制为热电子陷阱效应;关态应力下,器件性能随应力施加时间的增长逐渐退化,一定时间后器件性能退化非常严重,而阈值电压基本不变,其退化的物理机制为栅极电子注入效应。相比于开态电应力引起的退化,关态电应力引起的器件退化程度更为严重。经深入分析,其原因为:栅极电子在栅漏间高电场作用下不断向栅极靠近漏端一侧的表面注入,达一定程度后引起其下方沟道完全耗尽,应力撤除后,该处沟道未能立即恢复,引起严重的退化。最后,观测了应力撤除后器件的恢复情况:两种应力条件引起的器件退化在应力撤除一段时间后均得到恢复,说明两种应力引起的退化与逆压电效应无关（由逆压电效应引起的退化现象不可恢复）。
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