發(fā)布時間：2020-07-08 11:14

【摘要】：GaN是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表之一,具有優(yōu)良的材料特性。GaN半導(dǎo)體材料擁有高臨界擊穿電場、高電子遷移率、高二維電子氣(2DEG)濃度和高熱導(dǎo)率。優(yōu)異的材料特性使得GaN基功率器件具備高耐壓、正向?qū)娮璧�、工作頻率高等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢可以幫助功率系統(tǒng)縮小體積、降低功耗的同時增強其在惡劣環(huán)境中的可靠性。目前,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率晶體管(HEMT)已廣泛應(yīng)用于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域。常規(guī)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料有很強的壓電效應(yīng)和自發(fā)極化效應(yīng),使得異質(zhì)結(jié)界面GaN一側(cè)天然具有較高電子遷移率和高濃度的二維電子氣(2DEG)。高導(dǎo)電能力的二維電子氣(2DEG)溝道使得常規(guī)AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高遷移率晶體管(HEMT)具有高開關(guān)速度和低導(dǎo)通損耗的同時具有常開特性。常開特性限制了AlGaN/GaN HEMT的廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)常關(guān)特性的GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT),需要采取一些特殊的工藝和結(jié)構(gòu)。本文的主要工作就是提出一種增強型GaN基場控能帶新器件,該器件具有MIS柵極結(jié)構(gòu)、肖特基接觸和槽柵結(jié)構(gòu)等特點。首先,結(jié)合相關(guān)文獻對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng)和AlGaN/GaN HEMT工作機理以及增強型器件的實現(xiàn)方式做了理論分析。其次,通過分析增強型技術(shù)方案對器件能帶分布的影響引出場控能帶技術(shù)(FCE)。最后通過場控能帶技術(shù)提出GaN基新器件并通過Sentaurus TCAD仿真平臺對新器件的電學(xué)特性和能帶分布進行仿真分析。分析并闡述了部分減薄柵極下方AlGaN勢壘厚度和肖特基隧穿結(jié)對器件能帶分布和電學(xué)特性影響。其中AlGaN/GaN雙向開關(guān)器件(MBS)具備雙向?qū)ê妥钄嗄芰?單向?qū)〞r開啟電壓為0.9V,在1μA/mm的漏電流條件下,耐壓達到500V;AlGaN/GaN逆阻型MIS-HEMT具備反向阻斷能力,開啟電壓達到0.6V,在1μA/mm的漏電流條件下,耐壓達到450V,在柵壓和源漏電壓為10V的時候,溝道電流達到0.83A/mm。通過總結(jié)在中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的實驗經(jīng)驗,介紹了隧穿增強型AlGaN/GaN HEMT的工藝流程。對工藝流程中的部分重要環(huán)節(jié)進行研究和優(yōu)化,如歐姆金屬的高溫快速退火處理以及柵槽刻蝕界面的優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：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】：TN303
【圖文】：

lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)以及工作原理。最后MT制備工藝中的重點工藝環(huán)節(jié)。N 異質(zhì)結(jié)極化效應(yīng)、InN等III族氮化物半導(dǎo)體材料通常具有纖鋅礦和常溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物晶體材料更具熱力學(xué)穩(wěn)定性。因此現(xiàn)在大多數(shù)的研究化物晶體。本文所采用的氮化物材料的結(jié)構(gòu)即是的氮化物晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示[26]。從晶體材料是一個六方對稱的晶體結(jié)構(gòu)，擁有Ga面構(gòu)的晶體極軸在c軸。III族氮化物的晶體結(jié)構(gòu)是起來的結(jié)構(gòu)。GaN晶體沿著c軸的[0001]方向堆積通過這種方式形成的纖鋅礦GaN晶體具有Ga面極GaN晶體沿著c軸的[0001]方向堆積，Ga原子面性面的GaN纖鋅礦晶體在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出不

分布的影響來引出場控能帶技術(shù)（FCE，F(xiàn)ield Control Energy-band）。2007年，Yasuhiro Uemoto等人提出一種帶有p-AlGaN帽層的柵注入晶體管（GIT），圖3-5所示是GIT的器件結(jié)構(gòu)示意圖和垂直方向上的能帶分布[65]。從圖中可以看出，p型AlGaN的引入抬高了導(dǎo)帶能級，使得i-AlGaN勢壘層內(nèi)成為帶有內(nèi)建電場的pn結(jié)，匯聚載流子的量子阱消失，此時二維電子氣溝道被夾斷，器件表現(xiàn)出常關(guān)特性。(a) (b)圖 3-5 柵注入晶體管 (a)器件結(jié)構(gòu)；(b)柵極下方能帶分布[65]10nm 20nmEC（eV）GaNAlGaN材料表面沿生長方向10nm 20nmEC（eV）AlGaNGaN材料表面沿生長方向ns=1012cm-3(a) (b)圖 3-6 薄勢壘器件垂直方向?qū)Х植紙D (a)柵極下方；(b)柵源和柵漏之間[66]歸功與薄勢壘技術(shù)，Khan等人提出了全球首個GaN基增強型器件[66]，該器件的勢壘層為10nm的AlGaN,其Al組分為10%。如圖3-6所示為薄勢壘增強型器件的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，依靠10nm的薄勢壘對導(dǎo)帶的抬升作用，柵極下方的溝道被耗盡；柵極與源極和柵極與漏極之間則通過對GaN緩沖進行摻雜拉低導(dǎo)

效應(yīng)來改變異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)來設(shè)計器件的思路。同時考慮表面態(tài)、陷阱和摻雜，可以用來設(shè)計不同模式的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件。該思路通過仿真和工藝實現(xiàn)得到了很好的驗證。場控能帶技術(shù)的模型如圖3-8所示。從圖中可以看出，溝道內(nèi)二維電子氣的濃度取決于極化效應(yīng)強度、內(nèi)建電場和外加電場的強度。這一思路的引入可以極大的方便對AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件的設(shè)計和分析。本文工作將建立在場控能帶的模型下，并通過場控能帶模型實現(xiàn)器件設(shè)計和工藝制備。

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本文編號：2746463