氮化镓应变沟道高电子迁移率晶体管器件及物理模型研究

随着半导体技术的进步，器件工艺尺寸持续缩小。在这个过程中，应变技术已成为提升硅基器件性能的主要方法。硅基器件经过数十年的发展，已具备了丰富的应变技术经验，如“Strained Si On Si1-xGex”。

另一方面，信息通讯技术正经历着从4G到5G毫米波、乃至太赫兹的高速进化。在这个背景下，氮化镓(GaN)等Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料，凭借其卓越的电学性能，被广泛应用于高性能半导体器件。这些GaN基器件在电路和器件结构方面已经引起了广泛关注。

值得注意的是，应变GaN与之前的应变硅在某些方面表现出相似性，尤其是在张应变条件下都可以显著提高器件沟道的电子迁移率。然而，当前应变GaN的发展仍受到工艺和应变测量技术的限制，这使得GaN HEMT器件中的应变效应物理模型尚未完全明确。

为了更好地理解和应用应变GaN，本研究结合应变理论、极化理论以及现有的GaN应变效应研究成果，建立了一个应变GaN沟道模型，并进行了详细的论证。

同时，为解决SGC-HEMT的阈值电压负漂移问题，同时考虑器件的电流特性，我们提出了一个新的非栅下应变沟道GaN HEMT(SNGC-HEMT)器件结构。

应变与晶格物理特性的关联

应变是由于晶格在外部应力作用下所经历的拉伸或挤压产生的。这种变形不仅导致晶格结构的变化，而且伴随着晶体的一系列物理性质发生改变。这些变化可以通过应变张量和应力张量来详细描述。

从数学表达上来说，对于某些材料，如α-GaN，其应力与应变关系在小形变条件下可特定地表示。应力作用于晶体可以采用两种不同的形式。第一种是通过外部条件施加的，比如通过机械压迫或在极性晶体上施加电磁场。

这种应变的特性是，晶体所受到的应力只能在宏观上确定，而根据这种应力的结果，我们可以分析和计算应变的大小。已有的研究表明，这种方法可以用于AlGaN/GaN HEMT器件的应变特性研究，这对于应力传感等应用场景是有价值的。

第二种应力产生的方式是由于两个晶格相似但并不完全匹配的晶体接触。为了使应变变得可控，弛豫的晶格经常作为基础，在其上生长具有可控应变的薄膜。值得注意的是，这种应变薄膜具有临界厚度，超过这一临界值可能会导致大量的缺陷产生。

例如，当一个晶格常数较小的材料在一个晶格常数更大且已经弛豫的晶体上外延时，较小的晶格将被拉伸，以适应较大的弛豫晶格。由于正格子与倒格子的对应关系，晶格的畸变会导致能带结构的相应变化，这进一步影响电子的迁移率。

进一步探索纤锌矿GaN的特性，可以发现自发极化和压电极化的现象。在GaN中，N的电负性比Ga强，这使得共价电子受库伦势作用偏向N原子。因此，形成一个从负电的N原子指向正电的Ga原子的自发极化强度。然而，这种自发极化在GaN层和AlGaN层中是相同的方向，但其强度相对较弱。

纤锌矿GaN的晶体结构显示，N原子与其最近的三个Ga原子之间的夹角并不完全相同，这造成了GaN材料的自发极化，这是由其固有的偏振矩不对称引起的。同时，每个GaN晶胞包含两个N原子和两个Ga原子，这些原子之间的相互作用影响了极化的方向和强度。

纤锌矿晶体的压电极化与其晶体结构有关，与之相关的数学模型可以详细描述其性质。这种深入的理解对于进一步的研究和应用都是非常重要的。

AlGaN/GaN/InGaN 异质结构的晶格适配与界面极化特性

在研究半导体材料的异质结构时，晶格适配是一个关键因素，它直接影响材料的界面性质和电子性质。对于AlGaN、GaN和InGaN的三重异质结构，适配前的晶体都处于弛豫状态。其中，AlGaN与GaN相比，具有更小的晶格常数，而InGaN则有更大的晶格常数。

适配后，由于InGaN弛豫层的存在，GaN沟道层和AlGaN势垒层都受到拉伸影响。在此基础上，我们可以做出一个理论上的假设，即GaN沟道层处于完全张应变状态，而AlGaN势垒层的弛豫度为0.05，InGaN插入层则仍然保持完全弛豫状态。

这种拉伸作用也对异质结界面的极化电荷分布产生了影响，其中，传统的AlGaN/GaN结构与由InGaN插入层引入的极化电荷之间存在差异。

当考虑到应变，AlGaN势垒层不仅受到自身的极化影响，还受到GaN沟道层引入的附加压电极化影响。因此，其总极化可以表示为其原始的压电极化、自发极化和附加的压电极化之和。同样，应变的GaN沟道层的总极化也是其压电极化和自发极化的总和。

从上述的分析可以看出，由于InGaN弛豫层对AlGaN和GaN的拉伸影响，这两种材料的极化电荷分布会发生变化。特别地，AlGaN/GaN的极化电荷差与传统结构相比会发生改变，而GaN/InGaN界面上则会形成新的束缚电荷。

进一步的研究显示，随着沟道应变的增加，AlGaN/GaN界面的束缚电荷差略有上升，而GaN/InGaN界面的束缚电荷则迅速增加。

这种应变机制涉及的材料参数，如GaN、AlN、InN及其相应的三元化合物，都有助于揭示AlGaN势垒层、应变GaN沟道层和弛豫InGaN插入层的压电极化参数。

对于异质界面上的能带结构，AlGaN/GaN/InGaN的形成会导致能带发生变化。这些变化不仅与材料的组成和应变有关，还与极化强度有关。这种极化作用导致GaN和InGaN的能级发生抬升，这与GaN沟道层和AlGaN势垒层的极化强度有关。

AlGaN、GaN和InGaN的异质结构由于其特有的晶格适配和应变效应，导致了材料在结构和电性上的一系列变化。理解这些变化对于进一步优化这种异质结构在电子器件中的应用至关重要。

异质结应变沟道 GaN HEMT 器件结构与其电学特性分析

在GaN HEMT技术的前沿，有了新的进展，即基于AlGaN/GaN/InGaN异质结应变模型的应变沟道GaN HEMT(SGC-HEMT)器件结构的提出。本节将对这一结构及其特性进行深入探讨。

首先，要理解SGC-HEMT的新颖之处，需要将其与传统的AlGaN/GaN HEMT (Conv HEMT)进行比较。Conv HEMT器件具有明确的层次结构，由氮化硅的钝化层、Al0.26Ga0.74N势垒层、GaN沟道层和GaN缓冲层组成。

相较之下，SGC-HEMT在基本结构上增加了一个InGaN弛豫层，并将传统的GaN沟道层替换为一个特定厚度的应变GaN沟道层。

另外，SGC-HEMT的设计也考虑了电学特性的仿真，但在此仿真中忽略了某些可能影响结果的因素，如界面散射导致的迁移率退化。而在模型中，强调了应变GaN沟道层和AlGaN势垒层都处于完全应变状态。

从电学特性的角度看，应变沟道的导入产生了一些有趣的效果。由于AlGaN、GaN和InGaN三种材料之间存在固有的费米能级差异，它们在接触时会努力达到能级平衡，从而在两个界面上都形成一个三角形势阱。这个势阱内的电子会上升到导带，使其变得导电，从而形成导电沟道。

在进一步的分析中，对SGC-HEMT器件进行了Sentaurus TCAD仿真，研究了在不同In组分下，AlGaN/GaN界面的势阱底部到费米能级的距离如何变化。结果显示，随着In组分的增加，这一距离相对于传统值有所增加。这对于理解和优化SGC-HEMT器件的性能至关重要。

再进一步，电子气浓度分布的仿真结果表明，InGaN弛豫层的引入增加了沟道张应变，从而增加了AlGaN/GaN沟道中的电子气峰值。更重要的是，这种应变沟道的加入明显增加了GaN/InGaN沟道的电子气浓度，这一浓度对器件的电学特性有显著影响。

通过引入应变沟道，SGC-HEMT不仅在结构上与传统的GaN HEMT有所不同，而且在电学特性上也展现出了新的可能性。这为进一步的优化和应用提供了一个有前景的方向。

结论

对于GaN HEMT器件，实现优越的性能往往需要细致的研究和技术改进。我们已经观察到，没有电场调制时，接近漏极的区域栅下沟道容易产生电场峰值，这可能削弱器件的耐压性能。因此，为了提高这些器件的稳定性和效率，一个有趣的方法是施加适当的应变到沟道。

但值得关注的是，In0.06Ga0.94N的弛豫层对Al0.26Ga0.74N和GaN都施加了0.675%的拉伸应变。

从直觉上讲，这种大规模的应变可能不是最优的，因为它与常见的AlGaN/GaN器件相似，其中GaN对Al0.26Ga0.74N施加了拉伸应变。要确定这是否确实是问题，还需要进一步的实验支持。

在实际生产中，InxGa1-xN弛豫层中的In含量通常很小，精确控制也较为困难。因此，一个可能的替代方案是考虑使用InxAl1-xN作为弛豫层，这样可以更灵活地调整In的含量。

我们还注意到，在现有的模型中，我们仅考虑了Γ谷的应变效应，而没有涉及到M-L能谷的应变。尽管高场迁移率已经能够反映应变的影响，但从第一性原理的计算来看，M-L能谷在应变下也会发生变化。尽管其变化幅度较Γ谷为小，但它对模拟结果的精度仍有所影响。

对于应变沟道技术，我们目前的理解仍然初步，且模型相对粗糙。要确保技术的实际应用和工业化，必须进行更深入、精确的研究。对小应变下的沟道迁移率进行详细研究尤为关键，这也将是我们未来研究的重点。