氧化鎵(Ga_2O_3)是一種具備多種優(yōu)良特性的寬禁帶透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體材料,近年來在功率型電子器件、氣體傳感器、日盲探測器等方面有著廣泛的應(yīng)用。尤其在以氮化鎵(GaN)為主的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件中的應(yīng)用,但GaN基半導(dǎo)體材料不僅在高溫狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性影響肖特基接觸,而且GaN基半導(dǎo)體材料表面因易自然氧化形成氧化層,使其性質(zhì)惡化。因此,復(fù)雜的表/界面態(tài)成為制約GaN基材料和器件發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。針對肖特基柵極漏電流是制約GaN基功率型器件發(fā)展的主要問題之一,肖特基柵極介質(zhì)層材料是影響GaN及其多元相關(guān)半導(dǎo)體材料(AlGaN、InGaN等)功率型器件性能的關(guān)鍵因素。Ga_2O_3作為肖特基柵極介質(zhì)層材料能有效解決GaN基功率型器件柵極漏電的問題。因為不僅在GaN及其多元材料表面或界面制備一層Ga_2O_3外延薄膜,取代自然形成的氧化層,提高鈍化效果,降低界面態(tài)密度,而且在GaN上外延Ga_2O_3薄膜,形成Ga_2O_3/GaN異質(zhì)結(jié),調(diào)控其肖特基勢壘高度,會進一步拓展寬禁帶材料在光電器件方面的應(yīng)用。因此展開Ga_2O_3薄膜材料與Ga_2O_3/GaN異質(zhì)結(jié)的研究對GaN基功率型器件性能的提高具有重要的意義。基于以上分析,本文采用遠程增強等離子體原子層沉積(RPEALD)技術(shù)外延生長Ga_2O_3薄膜材料與Ga_2O_3/GaN異質(zhì)結(jié),并對Ga_2O_3/GaN異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)進行了研究。通過討論等離子體對GaN表面結(jié)構(gòu)的影響,進而研究GaN表面結(jié)構(gòu)對外延生長Ga_2O_3薄膜及Ga_2O_3/GaN異質(zhì)結(jié)的影響,并對其生長機制進行討論。然后將Ga_2O_3薄膜作為柵介質(zhì)層用于金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)器件中,并對其電學(xué)性質(zhì)進行研究。本論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)為了獲得可控的Ga_2O_3薄膜外延生長工藝參數(shù),采用RPEALD技術(shù)方法,研究了脈沖時間、沉積溫度、等離子體射頻功率和基底等對RPEALD外延Ga_2O_3薄膜沉積速率、表面形貌和化學(xué)成分等的影響。結(jié)果表明,0.1 s的三甲基鎵脈沖和20 s的氧氣等離子體脈沖已達到飽和狀態(tài),在100-400℃的沉積溫度窗口內(nèi),Ga_2O_3薄膜的化學(xué)態(tài)和化學(xué)計量比保持恒定。高溫時,Ga_2O_3薄膜表面形貌變粗糙。Ga_2O_3薄膜的沉積速率隨等離子體射頻功率的增加先增后減。相較于Si襯底,在n-GaN外延片沉積Ga_2O_3薄膜的速率為0.24(?)/cycle,外延速率較慢,影響薄膜沉積的效率。(2)基于RPEALD在n-GaN外延片上沉積Ga_2O_3薄膜的效率問題,為了提高Ga_2O_3薄膜的沉積速率,采用NH_3等離子體原位處理n-GaN外延片表面,研究調(diào)控n-GaN表面態(tài)對RPEALD外延Ga_2O_3薄膜的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ga_2O_3薄膜的沉積速率增加至0.46(?)/cycle,但不影響Ga_2O_3薄膜的表面平整性和均勻性、化學(xué)態(tài)和化學(xué)計量比;研究發(fā)現(xiàn)Ga_2O_3薄膜的生長初期階段沉積速率增加,使得n-GaN外延片表面形貌的寬臺階變?yōu)镚a_2O_3薄膜的窄臺階。另外,NH_3等離子體作用于n-GaN外延片,表面有所損傷,導(dǎo)致Ga_2O_3薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較差。(3)為了驗證Ga_2O_3介質(zhì)層能解決柵極漏電流問題,將Ga_2O_3薄膜作為柵介質(zhì)層應(yīng)用于MOS結(jié)構(gòu),研究MOS結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。通過RPEALD在傳統(tǒng)氧化鋁(Al_2O_3)介質(zhì)層與GaN基半導(dǎo)體之間生長一層2nm的Ga_2O_3薄膜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Al_2O_3/Ga_2O_3雙介質(zhì)層MOS結(jié)構(gòu)中的漏電流相較于Al_2O_3介質(zhì)層的漏電流降低約6個數(shù)量級,說明單層超薄2 nm的Ga_2O_3介質(zhì)層的存在能夠起到非常良好的鈍化效果,界面態(tài)密度大幅度下降,且在沉積Al_2O_3介質(zhì)層前的原位H_2O處理產(chǎn)生的等離子體也能起到減少界面態(tài)密度的效果。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.2;O614.371

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