【摘要】：GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)憑借其高跨導(dǎo)、高飽和電流、高擊穿電壓等特點(diǎn),成為近十多年來微電子器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),在高溫、高頻、大功率電子器件領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管人們已經(jīng)對(duì)GaN HEMT器件進(jìn)行了很多研究,但是受電流崩塌效應(yīng)、漏電流大等問題影響,GaNHEMT器件距離大規(guī)模商業(yè)化還有一定的差距。由于目前GaN HEMT的器件機(jī)理和工藝技術(shù)還不是很成熟,對(duì)于GaN HEMT器件器件制備工藝的優(yōu)化和性能參數(shù)的研究尤為重要。本論文首先對(duì)GaN HEMT的歐姆接觸工藝進(jìn)行了優(yōu)化。然后分別研究了不通氧熱蒸發(fā)的SiOx(x=1.1)和反應(yīng)熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層(1.1≤x≤1.7)對(duì)GaNHEMT性能的影響。本論文還對(duì)熱蒸發(fā)的SiOx作柵介質(zhì)的GaN金屬-氧化物-半導(dǎo)體HEMT(MOS-HEMT)的器件性能進(jìn)行了研究。最后,利用Silvaco仿真軟件對(duì)使用SiOx作為絕緣介質(zhì)層的單場(chǎng)板和雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaNHEMT器件進(jìn)行了仿真計(jì)算,優(yōu)化了場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的參數(shù)。本論文的具體內(nèi)容如下:1.GaNHEMT器件歐姆接觸的優(yōu)化將電極間距為10μm的樣品在氮?dú)庵型嘶?利用傳輸線法(TLM)計(jì)算了歐姆接觸電阻Rc、比接觸電阻率ρc等參數(shù),對(duì)Al/Ti厚度比例、退火溫度、退火時(shí)間和合金金屬等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Al/Ti厚度比例存在一個(gè)最優(yōu)值使歐姆接觸達(dá)到最佳。在850℃,40 s的退火條件下,Ti/Al/Ni/Au電極的Rc和ρc都是隨Al/Ti厚度比例的增加先減小后增加。在Al/Ti厚度比例為5:1時(shí)達(dá)到最佳,分別為0.85Ω·mm和2.2 × 10-5Ω·cm2。Ti/Al/Ni/Au電極的Rc和ρc都是隨退火溫度(或時(shí)間)的增加先減小后增加。由于Au會(huì)向半導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散摻雜,溫度過高或者時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)歐姆接觸開始變差。采用Al/Ti/Ni/Au(30/150/50/60nm)的多金屬層在氮?dú)庵?00℃退火50s時(shí)歐姆接觸達(dá)到最佳,Rc和ρc分別為0.24Ω·mm和1.3 × 10-6Ω·cm2。將該條件下的金屬電極再進(jìn)行300 ℃退火10分鐘后沒有明顯退化,證明該歐姆接觸具有良好的熱穩(wěn)定性。在相同的退火條件下(900 ℃,50s),Ti/Al/Ni/Au 的Rc和 ρc要比 Ti/Al/Ti/Au(0.53 Ω mm,6.7×10 6 Ω·cm2)低很多。2.熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層的研究(1)不通氧熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層對(duì)GaN HEMT性能的影響研究了(不通氧)熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層對(duì)GaNHEMT器件性能的影響,并與PECVD生長(zhǎng)的SiNx鈍化的器件進(jìn)行了對(duì)比。由于鈍化層對(duì)表面陷阱的抑制作用,SiOx和SiNx鈍化的HEMT器件的最大漏極電流Idmax分別增加19%和25%,峰值跨導(dǎo)gm分別增加了 18%和24%。SiOx鈍化的器件的關(guān)態(tài)電流Ioff要比SiNx鈍化的器件高三個(gè)數(shù)量級(jí)。SiOx鈍化后器件的陷阱密度Dit明顯減小(1.16×1012cm-2·eV-1),而 SiNx鈍化(1.13×1013cm-2·eV-1)的器件明顯增加。這很有可能是由于PECVD生長(zhǎng)SiNx過程中引入的離子轟擊造成的,而熱蒸發(fā)沒有這種損傷。SiOx鈍化的器件柵漏電Igleak降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),而SiNx鈍化的器件增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。未鈍化、SiOx鈍化和SiNx鈍化之后HEMT器件的肖特基勢(shì)壘高度Φb分別是0.79、0.85和0.73 eV。SiOx鈍化使Φb增加,導(dǎo)致了柵漏電減小Igleak中應(yīng)該還包括與陷阱的密度和陷阱能量有關(guān)的隧穿電流。激活能為0.21 eV的表面陷阱與GaNHEMT器件的柵漏電機(jī)制密切相關(guān),而這些陷阱又會(huì)受不同鈍化工藝的影響。SiOx鈍化的HEMT器件的擊穿電壓Vbr從175 V增加到206 V,而SiNx鈍化的器件則減小到111 V。由于鈍化材料和鈍化方法的不同,SiOx和SiNx鈍化的HEMT器件的截止頻率從4.0 GHz分別增加到了 5.2和5.8 GHz。在偏壓應(yīng)力測(cè)試中,由于柵電子注入和逆壓電效應(yīng)使HEMT器件在施加偏壓應(yīng)力后漏極電流、跨導(dǎo)和柵漏電等參數(shù)都發(fā)生了明顯的退化,而且退化程度隨偏壓(或者時(shí)間)的增加而增加。負(fù)的柵偏壓會(huì)引起AlGaN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)中的逆壓電效應(yīng),使晶格遲豫而產(chǎn)生新的晶格缺陷,構(gòu)成可以束縛電子的陷阱。在加入SiOx鈍化層后,器件的漏極電流退化程度明顯降低。這說明SiOx鈍化層可以減少束縛電子的表面陷阱密度,從一定程度上消除了虛柵效應(yīng)引入的性能退化。在Vgs =-20V、Vds = 0V的應(yīng)力下偏置2小時(shí),發(fā)現(xiàn)未鈍化器件的Idmax和gm分別降低了 36.4%和36.8%,而SiOx鈍化的器件則分別為13.0%和12.8%。此外,SiOx鈍化的器件(1.4 × 10-4 mA/mm)的Igleak也比未鈍化器件(2.8 × 10-2mA/mm)的低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于SiOx鈍化層可以減少AlGaN勢(shì)壘層的表面陷阱,從而減少柵電子的注入。此外,SiOx鈍化層在AlGaN勢(shì)壘層引入的應(yīng)力也可以抑制逆壓電效應(yīng)。(2)反應(yīng)熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層對(duì)GaNHEMT性能的影響本實(shí)驗(yàn)研究了在通氧氣時(shí),不同反應(yīng)室氣壓下熱蒸發(fā)的SiOx鈍化層對(duì)GaN HEMT器件性能的影響,并對(duì)SiOx薄膜材料的性質(zhì)進(jìn)行了表征。隨著反應(yīng)室氣壓的增加,即通氧量的增加,SiOx中氧組分x的值增大。SiO在蒸發(fā)的過程中被氧化成SiOx,在背景真空為1×10-6-6 × 104Torr的范圍內(nèi),x的值在1.1到1.71之間。AFM圖像顯示不同組分的SiOx薄膜的方均根粗糙度小于1nm,粗糙度隨反應(yīng)室氣壓的增加而增加。不同組分的Six使器件的Idmax有不同程度的增加,這是由于鈍化層化學(xué)組分不同造成的,亦或是不同的鈍化層對(duì)于AlGaN勢(shì)壘層應(yīng)力的不同造成的。在脈沖模式下未鈍化的HEMT器件的Idmax下降了28.2%,而薄膜B(SiO1.23)鈍化的器件的電流崩塌只有11.5%。薄膜C(SiO1.41)、D(SiO1.54)和E(SiOi.71)對(duì)電流崩塌的抑制效果并沒有那么明顯,分別為20.2%、25.7%和28.1%。這可能是因?yàn)檫@些樣品中存在的較高密度的SiOx/AlGaN界面陷阱。除薄膜E外,SiOx鈍化之后的Ioff都有接近一個(gè)數(shù)量級(jí)的減小。這種Ioff的變化與器件表面陷阱態(tài)密度或者電子在器件表面跳躍傳導(dǎo)的活化能不同有關(guān)。薄膜B鈍化的HEMT器件的Igleak最低,比未鈍化器件降低了近20倍。薄膜A、C和D鈍化的器件的Ieak也有不同程度的降低。然而,薄膜E鈍化的器件的Igleak上升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。SiOx/AlGaN之間的界面陷阱會(huì)影響器件的柵漏電。與未鈍化的(99V)、薄膜A(138V)、C(143V)、D(124V)和 E(87V)鈍化的 HEMT 器件相比,薄膜B鈍化的器件的Vbr(151 V)最大。3.熱蒸發(fā)SiOx作柵介質(zhì)的GaN MOS-HEMT的研究主要研究了具有不同厚度(10-30nm)的不通氧熱蒸發(fā)的SiOx作柵介質(zhì)的GaNMOS-HEMT,并與傳統(tǒng)的金屬-半導(dǎo)體HEMT(MES-HEMT)進(jìn)行了對(duì)比。熱蒸發(fā)工藝沒有離子轟擊,對(duì)器件表面沒有損傷。而且熱蒸發(fā)工藝沒有高溫生長(zhǎng)過程,可以使用剝離工藝制備柵介質(zhì)圖形,避免了干法或者濕法刻蝕對(duì)半導(dǎo)體帶來的損傷。與MES-HEMT(317mA/mm)相比,具有10、20和30nm厚度SiOx柵介質(zhì)的MOS-HEMT器件的Idmax分別為380、402和452 mA/mm。這可能是因?yàn)镾iOx介質(zhì)層對(duì)表面陷阱起到了抑制作用,減少了虛柵效應(yīng)。亦或是SiOx介質(zhì)層在AlGaN層引入了應(yīng)力,從而使異質(zhì)結(jié)極化效應(yīng)增強(qiáng),進(jìn)而使二維電子氣濃度增加。因此,MOS-HEMT器件的電子氣濃度會(huì)隨著SiOx厚度的增加而增大。由于電子氣濃度的增加,溝道的導(dǎo)電性變得更好,MOS-HEMT器件的通態(tài)電阻明顯減小。此外,MOS-HEMT具有更低的Ioff和較高的開關(guān)比。尤其是在含有30nm厚的SiOx柵介質(zhì)的器件中,Ioff降低了兩個(gè)多數(shù)量級(jí),開關(guān)比達(dá)到1.4×108。MOS-HEMT 的 Dit(～1.0×10 12cm-2·eV-1)明顯低于 MES-HEMT 器件(2.4× 1012 cm-2·eV-1)。這使得SiOxMOS-HEMT在柵漏電、擊穿電壓和電流崩塌等方面都有極大的改善。與MES-HEMT器件相比(6.4 × 10-5mA/mm),含有30nm厚的Six的MOS-HEMT的Igleak(9.6×10-7 mA/mm)降低了近兩個(gè)量級(jí),擊穿電壓增加了 100V。這是由于勢(shì)壘高度的增加抑制了載流子在金屬和半導(dǎo)體之間的注入。此外,電流崩塌程度比MES-HEMT器件平均減小46%,截止頻率和最大振蕩頻率分別增加了 144%和74%。4.場(chǎng)板結(jié)構(gòu)GaN HEMT的擊穿特性的Silvaco仿真利用Silvaco仿真軟件對(duì)使用SiOx作為絕緣介質(zhì)層的單場(chǎng)板和雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaN HEMT器件進(jìn)行了仿真計(jì)算。詳細(xì)研究了 HEMT器件的擊穿特性,對(duì)兩種場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)(場(chǎng)板長(zhǎng)度Lfp和SiOx厚度t)進(jìn)行了優(yōu)化,使器件的擊穿電壓達(dá)到最大。單場(chǎng)板器件在Lf[=1 μm,t = 0.4 μm時(shí),Vbr達(dá)到465 V,比無場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的器件(119V)增加270%。雙場(chǎng)板器件在Lfp1=Lfb2=1.5 μm,t22=0.2μm時(shí),Vbr為566V,分別比無場(chǎng)板和單場(chǎng)板器件增加了 380%和22%。相比沒有場(chǎng)板的情況(42V/μm),單場(chǎng)板和雙場(chǎng)板HEMT器件的擊穿強(qiáng)度Vbr/Lgd分別提升到88和105 V/μm。此外,還對(duì)器件溝道內(nèi)部電場(chǎng)分布和偏壓對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究,并對(duì)電場(chǎng)分布與擊穿電壓之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,場(chǎng)板是提高HEMT器件耐壓性能的有效手段,雙場(chǎng)板對(duì)器件的擊穿特性的提升比單場(chǎng)板結(jié)構(gòu)更有效。利用Silvaco軟件仿真使用SiOx作為絕緣介質(zhì)層的GaN HEMT器件的擊穿特性對(duì)以后實(shí)際器件的設(shè)計(jì)和制備具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN386
【圖文】：

ＩＩＩ族氮化物材料近年來成為人們研究的熱點(diǎn)。ＩＩＩ族氮化物材料的帶逡逑隙寬度范圍可以從0．７ｅＶ邋（ＩｎＮ）到６．２ｅＶ邋（Ａ１Ｎ），與其他系列材料相比，逡逑ＩＩＩ族氮化物材料的晶格常數(shù)更�。▓D１．３）邋［１７，１８］。相比于ＩｎＰ和ＳｉＣ系列材逡逑料，ＧａＮ材料兼具高頻、大功率的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)（圖１．４）邋Ｗ。逡逑２逡逑

邐１００邋ＧＨｚ逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ逡逑圖１．４不同半導(dǎo)體材料射頻功率與頻率的依賴關(guān)系。逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＲＦ邋ｐｏｗｅｒ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ．逡逑表ｉ．ｉ列出了幾種高頻大功率器件應(yīng)用領(lǐng)域常用的幾種半導(dǎo)體材料。通逡逑過一些材料性質(zhì)的對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)，Ｓｉ材料可以滿足低功率和微波低頻段應(yīng)逡逑用的需求。由于硅工藝和器件設(shè)計(jì)成熟，硅材料在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)該是無法被取逡逑代的。但是，由于某些特殊材料特性的限制，比如低擊穿場(chǎng)強(qiáng)（０．３邋ＭＶ／ｃｍ）、逡逑低電子飽和漂移速度（ｌ0７ｃｍ／ｓ），硅材料很難滿足高頻、大功率領(lǐng)域的應(yīng)用。逡逑ＧａＡｓ雖然有較高的飽和電子漂移速度（１邋ｘ邋ｌ0７ｃｍ／ｓ）和非常高的低場(chǎng)遷移率逡逑３逡逑

本文編號(hào)：2723806