得益于氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體優(yōu)越的材料特性,在過去20年間,GaN基高電子遷移率晶體管(HEMTs)在高頻功率放大器、高效電源開關(guān)及耐高溫的集成電路等應(yīng)用方面得到了快速發(fā)展。由于增強(qiáng)型(常關(guān))HEMTs在電路設(shè)計(jì)上可以簡化電路結(jié)構(gòu),減少設(shè)計(jì)復(fù)雜度及固有的失效保護(hù)優(yōu)勢,其制備方法受到了廣泛關(guān)注。通過CF_4等離子體處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)氟離子注入AlGaN勢壘層,并利用注入氟正離子的強(qiáng)電負(fù)性完全耗盡AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的二維電子氣(2DEG),達(dá)到關(guān)閉溝道的作用,有效調(diào)控器件閾值電壓往正向偏移,可將傳統(tǒng)耗盡型AlGaN/GaN HEMTs轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)型器件。但值得指出的是,在此類研究中并沒有觀察到p型摻雜效果,這主要是因?yàn)锳lGaN勢壘層的禁帶寬度太大,氟正離子獲得電子后對價(jià)帶的調(diào)節(jié)作用有限,無法形成空穴量子阱。此外,由于氟的質(zhì)量和尺寸都很小,擴(kuò)散能力強(qiáng),其在勢壘層內(nèi)的熱穩(wěn)定性尚不明確。因此,系統(tǒng)地研究氟離子注入對GaN基器件電學(xué)和光電特性的影響,對于方便有效地利用該技術(shù)制備不同的器件,具有很好的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的GaN基HEMTs相比,金半接觸二極管結(jié)構(gòu)不存在壓電極化效應(yīng),且擁有更直觀清晰的物理圖像,非常適合分析氟離子注入對GaN基器件產(chǎn)生的影響。本論文的主要研究內(nèi)容歸納如下。1、利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和lift-off技術(shù)在自支撐GaN外延片上制備了氟離子注入Ni/Au/n-GaN肖特基結(jié),用電子束蒸發(fā)沉積Ti/Al/Ni/Au制作了歐姆接觸電極,同時采用相同工藝和結(jié)構(gòu)制備了未注入器件供對比分析。陰極熒光(CL)譜表征結(jié)果表明,相比于圖形化藍(lán)寶石及硅襯底異質(zhì)生長GaN,自支撐GaN外延片位錯密度較低(~10~6 cm~(-2)),有利于制備理想的肖特基接觸。在制備器件之前,通過SRIM軟件對離子注入的工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬,并結(jié)合二次離子質(zhì)譜(SIMS)表征進(jìn)行驗(yàn)證,研究了氟離子在GaN中的濃度分布及注入損傷。隨后,測試了兩種器件在室溫下的電流-電壓(I-V)及電容-電壓(C-V)特性。結(jié)果表明,氟離子注入器件的漏電流比未注入器件減小7個數(shù)量級,證明氟離子注入能有效抑制反向漏電流;內(nèi)建電勢由1.30 V升至3.22 V,表明在平衡狀態(tài)下費(fèi)米能級與價(jià)帶頂最大值僅存在幾個kT的能量差,意味著高濃度的自由空穴已被誘導(dǎo)出來。2、研究了氟離子注入GaN肖特基結(jié)的電學(xué)特性。測試了器件在300-480 K的變溫I-V特性,由經(jīng)典熱發(fā)射模型提取理想因子n初步判斷電流輸運(yùn)機(jī)制,并基于不同輸運(yùn)機(jī)制對特性曲線進(jìn)行擬合。結(jié)果表明,在較低偏壓下,正向變溫電流主要由缺陷輔助隧穿(TAT)機(jī)制占主導(dǎo);在較高偏壓下,隨溫度升高,復(fù)合機(jī)制向熱發(fā)射(TE)機(jī)制轉(zhuǎn)變;反向變溫電流表現(xiàn)出強(qiáng)的溫度依賴特性,擬合結(jié)果表明隧穿幾率與溫度呈正相關(guān)線性依賴關(guān)系。隨著頻率由低頻(1 MHz)逐漸升到高頻(4 MHz),耗盡區(qū)電容隨頻率增加快速增大,呈現(xiàn)明顯的電容強(qiáng)散射現(xiàn)象。不同頻率下,氟離子注入GaN肖特基結(jié)的1/C~2-V關(guān)系再次表明,平衡態(tài)時GaN的價(jià)帶最高位置已經(jīng)超過費(fèi)米能級,形成了空穴量子阱結(jié)構(gòu)。3、研究了氟離子注入GaN肖特基結(jié)的光電特性和低頻噪聲特性。對比研究發(fā)現(xiàn),器件具有紫外光響應(yīng)特性及持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)偏置電壓為-5 V時,器件的峰值響應(yīng)度為~0.045 A/W,對應(yīng)的最大外量子效率為~15.5%,紫外/可見光抑制比為~10~3,在294-340 K的溫度內(nèi)平均衰減時間常數(shù)τ約為35 ms。正向電流注入條件下,器件在黑暗環(huán)境中可觀察到明顯的電致發(fā)光(EL)現(xiàn)象。除可見光外,EL光譜在紫外波段的375 nm處還存在顯著的發(fā)光峰,也驗(yàn)證了表面費(fèi)米能級低于最高價(jià)帶的位置處產(chǎn)生了高濃度的自由空穴。此外,離子注入后的快速熱退火修復(fù)了大量的晶格損傷,有效抑制了內(nèi)部缺陷和表面態(tài)的增加,因此1 kHz頻率以內(nèi)的噪聲電流密度并未有顯著增加,氟離子注入對半導(dǎo)體材料的影響在可控范圍。特別是當(dāng)器件工作在-2 V偏置下,氟離子注入器件表現(xiàn)出良好的低頻噪聲特性,噪聲等效功率為9.72×10~-1111 W,探測率為1.42×10~(10) cm·Hz~(1/2),呈現(xiàn)出潛在的紫外探測能力。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

綠色環(huán)保的要求，一方面，人們需要持續(xù)投入精力開發(fā)太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕锬艿瓤稍偕Y源，另一方面，也需要加快改進(jìn)和優(yōu)化各種電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的步伐，提高電能轉(zhuǎn)換效率。目前，發(fā)展成熟的電力電子器件多是采用硅（Si）材料制作的，器件性能已經(jīng)在各個方面都非常逼近極限值。因此，為了獲得突破性的性能提高，一個重要的辦法就是尋求可替代的新型半導(dǎo)體材料。與眾多功能各異的半導(dǎo)體器件不同，電力電子器件常常工作在大電流、高電壓及高溫等特殊條件下，這就需要所選擇的材料具有較高的臨界擊穿場強(qiáng)、較大的禁帶寬度及較高的熱導(dǎo)率等特性[1]。繼第一代半導(dǎo)體材料（Si、Ge）和第二代半導(dǎo)體材料（GaAs、InSb 等化合物半導(dǎo)體）之后，作為第三代半導(dǎo)體材料代表的氮化鎵（GaN）無疑是制備高性能電力電子器件的優(yōu)選材料之一[2-8]。圖 1-1 所示為電力電子器件在基礎(chǔ)設(shè)施、家庭、個人三大應(yīng)用層中隨時間演變發(fā)展的過程，應(yīng)用層的分類取決于所需的電壓范圍[9]。2000 年以來，以碳化硅（SiC）二極管/金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）和 GaN 場效應(yīng)晶體管（FET）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件開始出現(xiàn)在應(yīng)用市場。2014 年，中村修二（Shuji Nakamura）等人被授予諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們對 GaN 藍(lán)光發(fā)光二極管（LED）的貢獻(xiàn)，這也更加促進(jìn)了 GaN 材料外延技術(shù)乃至 GaN 基半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展。

江南大學(xué)碩士學(xué)位論文極制備工藝是制作電力電子器件的基礎(chǔ)工藝，受到了廣泛的研究與關(guān)注[作為電力電子器件中不可或缺的重要組成結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系著電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)性。aN材料的性質(zhì) 族氮化物通常存在閃鋅礦型（Zinc-Blende）和纖鋅礦型（Wurtzide）兩種于具有更好控制的電子特性和更高的結(jié)晶質(zhì)量，大多數(shù) III 族氮化物器件長在 c 軸方向上的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的晶體[13]，如圖 1-2(a)所示。纖鋅礦結(jié)構(gòu)屬其 III 族氮化物的晶胞包括兩個 III 族原子和兩個氮原子。圖 1-2(b)顯示了氮化物晶體的三個重要平面，分別是極化 c 面、無極化的 m 面和 a 面。 c 軸方向上生長，使得極化 c 面成為表面。最近的研究表明 a-和 m-方向表面分別由 m-(1-100)面和 a-(11-20)面形成[14]。

[20]。 III 族氮化物中最受關(guān)注的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有大的禁度、耐高壓、耐高溫?zé)岱纸�、抗輻照等特點(diǎn)，表 1-1 比較了要物理參數(shù)�？梢钥闯�，GaN 的禁帶寬度及擊穿電場較前所制備的器件可以承受更高的工作電壓，能夠保證 GaN 基用。由于導(dǎo)帶不連續(xù)及強(qiáng)烈的壓電極化效應(yīng)，AlGaN/GaN 異二維電子氣（2DEG），具有高電子遷移率，利用這一特性發(fā)移率晶體管（HEMTs）近年來發(fā)展迅速。GaN 的熱導(dǎo)率較高溫條件下。此外，作為直接帶隙半導(dǎo)體，GaN 適于制備發(fā)]及激光二極管（LD）[23]。表 1-1 GaN 和 Si、GaAs 的主要參數(shù)比較禁帶寬度(eV)擊穿場強(qiáng)(MV·cm-1)電子遷移率(cm2·V-1·s-1)2DEG 濃度(cm-2)熱導(dǎo)率(W/cm·K)1.12 0.3 1400 2.6×10121.5 1.43 0.4 8500 3.5×10120.5 3.43 3.5 1000 ~ 2000 2.0×1013>1.7

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 范永平;反應(yīng)濺射法制備耐熔金屬氮化物/GaAs肖特基結(jié)[J];微電子學(xué);1988年03期

2 王永生;鄭有p

本文編號：2818713