發(fā)布時間：2020-04-06 17:09

【摘要】：AlGaN/GaN HEMT具有輸出電流大,擊穿電壓高,耐高溫,抗輻射等優(yōu)異的特性,在微波功率等方面發(fā)展空間廣闊。集成電路的發(fā)展趨勢一直遵循著摩爾定律,因此可以預(yù)見AlGaN/GaN HEMT尺寸將不斷縮小,短溝道效應(yīng)將是制約器件發(fā)展的重大難點。在Si基器件的發(fā)展中,三維鰭式柵(Fin)結(jié)構(gòu)是解決短溝道效應(yīng)并推動集成電路發(fā)展的重大技術(shù)突破,將之應(yīng)用在GaN基器件的研究中,一方面Fin結(jié)構(gòu)能夠加強器件的柵控能力,另一方面,對于AlGaN/GaN器件而言,Fin結(jié)構(gòu)側(cè)柵會耗盡一部分溝道電子,同時使極化效應(yīng)減弱,可以應(yīng)用于實現(xiàn)增強型HEMT。本文基于Silvaco仿真與實驗室標準工藝生產(chǎn)線,將FinFET理論研究與器件制備相結(jié)合,圍繞柵控能力的提高與增強型實現(xiàn),就FinFET工藝控制及特性展開研究。主要的研究內(nèi)容與成果有:本文首先對FinFET器件納米溝道刻蝕工藝條件進行了探索。采用SEM電鏡對不同ICP刻蝕條件的納米溝道陣列進行了測試分析,測試結(jié)果表明:偏壓源功率越大,轟擊速度越大,材料表面越粗糙。ICP源功率越大,化學(xué)反應(yīng)速率越大,橫向擴展越快,刻蝕傾角越大。最后采用的刻蝕方案中ICP源功率為100W,偏壓源功率為10W,Cl_2流量為25sccm,刻蝕速率低至0.5nm/s,并且刻蝕表面形貌良好,粗糙度小,納米溝道陣列較為陡直。本文對AlGaN/GaN FinFET進行了仿真研究。設(shè)計了Fin寬分別為50nm、100nm、150nm、200nm、400nm、800nm的三維FinFET器件,仿真結(jié)果表明:相比于常規(guī)HEMT,FinFET器件閾值正移,并且隨著Fin寬的減小,閾值進一步正移,并且,Fin寬為50nm時的FinFET閾值為0.14V,實現(xiàn)了增強型;相比于常規(guī)HEMT,FinFET器件跨導(dǎo)大幅度提高,并且隨著Fin寬的減小,器件跨導(dǎo)峰值先增大后減小,100nmFin寬的FinFET器件峰值跨導(dǎo)最大為321mS/mm。器件內(nèi)部的電子濃度分布表明:隨著納米Fin寬的減小,二維電子氣濃度逐漸降低,并且金屬柵側(cè)壁產(chǎn)生的耗盡區(qū)寬度相同,與Fin寬無關(guān)。器件內(nèi)部電勢分布表明:肖特基接觸產(chǎn)生的電勢分布基本一致,與Fin寬無關(guān)。本文制備了不同F(xiàn)in寬的FinFET器件并進行了測試分析。測試結(jié)果表明:首先,FinFET的閾值電壓相比于常規(guī)HEMT正移近2V左右,并且隨Fin寬降低,器件閾值電壓進一步正移,其中160nm與100nmFin寬器件閾值電壓分別為-1.63V與-0.97V,正移了0.66V。同時,采用了相關(guān)閾值電壓的理論模型很好的解釋了實驗規(guī)律,即FinFET側(cè)柵的耗盡作用與壓電極化效應(yīng)的減弱共同導(dǎo)致器件閾值電壓正移,并且當器件Fin寬減小到一定程度時,側(cè)柵耗盡的溝道將占據(jù)整個Fin寬,器件實現(xiàn)增強型。其次,FinFET器件表現(xiàn)出更好的柵控能力,160nmFin寬的FinFET器件跨導(dǎo)峰值為306mS/mm,比常規(guī)HEMT提高41.6%;最后,FinFET器件電流密度更大,160nmFinFET電流密度為996mA/mm(V_G-V_(TH)=4V),比常規(guī)HEMT增大44.5%;但是,FinFET器件亞閾值擺幅與DIBL值比常規(guī)HEMT大,原因是在器件溝道刻蝕損傷引入了界面態(tài)。同時,界面態(tài)的引入使肖特基正反向電流增大。本文采用ICP設(shè)備對FinFET器件柵下方區(qū)域進行了氧等離子體處理。測試結(jié)果表明:氧化使器件閾值電壓正移,Fin寬為100nm的FinFET器件氧化后,閾值電壓由-0.97V增加到-0.54V,正移了近0.43V;氧化同時有刻蝕的作用,使勢壘層減薄,導(dǎo)致器件跨導(dǎo)峰值提高,亞閾值斜率降低,柵控能力增強;氧化過程中產(chǎn)生了MIS絕緣層,使肖特基正反向漏電降低了近2個數(shù)量級。
【圖文】：

子器件領(lǐng)域與高頻、高壓電子器件領(lǐng)域蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿�。圖 1.1 展示了常規(guī)AlGaN/GaN HEMT 結(jié)構(gòu)示意圖。圖1.1 常規(guī) AlGaN/GaN HEMT 結(jié)構(gòu)示意圖如今的信息時代對高頻高功率電子器件的需求與日俱增，GaN 等第三代半導(dǎo)體材料生長技術(shù)及工藝水平也在不斷進步。Khan 等人在 1994 年首次成功研制了

圖1.2 AlGaN/GaN FinFET 結(jié)構(gòu)圖 1.2 為 AlGaN/GaN FinFET 結(jié)構(gòu)示意圖，實際的 GaN FinFET 是由眾多成，并且有共同的源漏柵電極，這里為了說明 FinFET 器件的工作原理溝道。與常規(guī) AlGaN/GaN HEMT 相比，F(xiàn)inFET 的特點是柵極從三個方因此，溝道不僅受到來自頂柵的電場調(diào)控，還有來自柵側(cè)壁的電場調(diào)控 FinFET 器件的柵控能力，當器件尺寸減小至一定程度時，該結(jié)構(gòu)可有道效應(yīng)。并且側(cè)柵與半導(dǎo)體材料的肖特基接觸可以耗盡溝道中的一部分T 器件更易實現(xiàn)增強型器件。際上 LiuS H 等人在 2012 年制作了納米溝道陣列 AlGaN/GaN HEMT[ 19為 64nm，實現(xiàn)了增強型器件。納米溝道陣列采用電子束光刻與干法刻蝕00 個平行的納米溝道組成，器件 Fin 寬與溝道間距之比為 0.4，，溝道總m，有效寬度寬度為 64μm，柵長為 2μm。器件的閾值電壓為 0.6V，峰值S/mm，相比所做制作的常規(guī) HEMT，閾值正移 2.2V，跨導(dǎo)提升 16%。并明，實現(xiàn)增強型的臨界 Fin 寬為 90nm。該報道指出，通過恰當?shù)闹谱?
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

【參考文獻】

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本文編號：2616788