發(fā)布時(shí)間：2020-09-23 07:14

　　 氮化鎵(GaN)因其具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和速度快等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于微波器件、功率器件以及GaN數(shù)字電路等領(lǐng)域。近年來,眾多專家學(xué)者對(duì)GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的材料和物理特性做了很多深入研究,但高性能的GaN基增強(qiáng)型器件的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)還存在一系列問題,例如閾值電壓正移量小、飽和電流小、跨導(dǎo)線性度差等。隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,為了滿足集成化程度的提升,器件尺寸將不斷減小,短溝道效應(yīng)將會(huì)成為制約器件尺寸不斷減小的重要因素,類似于Si基鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)器件,GaN基FinFET結(jié)構(gòu)可以有效解決短溝道效應(yīng),并且三維柵結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)柵控能力,通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件。本文基于新型AlGaN/GaN FinFET器件,圍繞增強(qiáng)型高性能器件的實(shí)現(xiàn),就器件直流特性以及溫度特性展開研究。本文首先介紹利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)工藝制備了不同F(xiàn)in寬的AlGaN/GaN FinFET器件,并與制備的槽柵FinFET器件作對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明了5 nm槽柵深度的FinFET器件的跨導(dǎo)峰值相比常規(guī)FinFET器件提高了大約11%,閾值電壓偏移量近0.6 V以上。此外,隨著槽柵FinFET的Fin寬增加,閾值電壓和跨導(dǎo)的變化量均增加。接著采用Silvaco軟件仿真了具有不同F(xiàn)in寬和槽柵深度的槽柵FinFET的直流特性,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。同時(shí)研究了閾值電壓與刻蝕槽后剩余的AlGaN層厚度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,閾值電壓變化的斜率隨著Fin寬度的減小而減小。在此基礎(chǔ)上,建立了槽柵FinFET的簡(jiǎn)化閾值電壓模型,該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果吻合較好,為槽柵FinFET實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論參考。接著,本文提出了具有雙溝道AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN基增強(qiáng)型FinFET。通過TCAD仿真軟件模擬AlGaN/GaN FinFET的直流特性。結(jié)果表明,摻雜的AlGaN層使得雙溝道AlGaN/GaN FinFET飽和電流和柵極的控制能力得到改善。此外,仿真的短?hào)砰L的單雙溝道AlGaN/GaN FinFET具有良好的亞閾特性。將第一和第二AlGaN層厚度均設(shè)置為20 nm,具有30 nm Fin寬度的雙溝道AlGaN/GaN FinFET實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型,并且峰值跨導(dǎo)達(dá)到417 mS/mm。最后,具有窄Fin寬度或薄AlGaN層的雙溝道AlGaN/GaN FinFET可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件,與單溝道AlGaN/GaN FinFET相比,側(cè)柵控制作用在窄Fin寬度中起主導(dǎo)作用,可為雙溝道AlGaN/GaN FinFET器件制備提供有價(jià)值的理論參考。最后,本文對(duì)制作的不同F(xiàn)in寬的AlGaN/GaN FinFET以及常規(guī)器件的溫度特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:常規(guī)HEMT的溫度系數(shù)γ值為-1.74,而FinFET的溫度系數(shù)γ值分別為-1.5,-1.37,-1.25,常規(guī)HEMT相較FinFET受到溫度的影響較大,同時(shí),隨著Fin寬的增加,FinFET受到溫度的影響越小。在閾值電壓方面,常規(guī)HEMT的閾值電壓的變化量達(dá)到0.37 V,而FinFET的閾值電壓變化量分別為0.12 V,0.23 V,0.25 V,這表明FinFET具有更好的溫度穩(wěn)定性,并且隨著Fin寬度的減小,器件的閾值電壓變化量也減小。在DIBL方面,由于柵控能力的不同,常規(guī)HEMT的DIBL值從20°C-300°C增加了150%,受溫度的影響較大,而100 nm溝道寬度的FinFET的DIBL值從20°C-300°C增加了86%,受溫度的影響最小。此外,本文重點(diǎn)研究了跨導(dǎo)隨溫度變化的兩個(gè)顯著現(xiàn)象并研究了其內(nèi)在機(jī)理。隨著溫度的升高,窄Fin寬的FinFET的跨導(dǎo)峰值降低越明顯的現(xiàn)象,通過計(jì)算可以得到,Fin寬越小,其聲子散射越強(qiáng),遷移率降低越大。對(duì)于FinFET出現(xiàn)跨導(dǎo)曲線分散現(xiàn)象,經(jīng)過分析表明,在相同柵壓下FinFET中的電子積聚電荷越多,因此更容易使庫倫散射占主導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

接下來進(jìn)一步闡述 GaN 基 FinFET 的研究進(jìn)展。1.3 GaN 基 FinFET 器件的研究意義與發(fā)展進(jìn)程圖1.1常規(guī) AlGaN/GaN FinFET 結(jié)構(gòu)圖隨著集成電路的發(fā)展，為了滿足集成化程度的提升，器件尺寸將不斷減小，由此引起的短溝道效應(yīng)會(huì)造成柵介質(zhì)泄漏電流、源漏穿通等問題，而具有立體結(jié)構(gòu)的FinFET 器件能較好的抑制短溝道效應(yīng)[17]，原因是 FinFET 具有三維環(huán)柵電極結(jié)構(gòu)，增加了柵極對(duì)溝道的控制面積，使得器件的柵控能力增強(qiáng)同時(shí)閾值電壓向正向移動(dòng)[18]，AlGaN/GaN FinFET 結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。在 2013 年，K. S. Im 等人[17]制作了納米溝道寬度為 80 nm

流特性參數(shù)。SiN 鈍化層可以改善界面特性，還可以有效抑制電流崩塌等進(jìn)而提高器件可靠性。圖2.1( a ) AlGaN/GaN HEMT ( b ) AlGaN/GaN FinFET 結(jié)構(gòu)圖AlGaN/GaN FinFET 器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的 HEMT 器件結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于 FinFET器件需要制備多條納米導(dǎo)電溝道，在 Fin 溝道上方淀積一層立體的柵金屬，形成圖中7

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文有周期性排列的多條 Fin 溝道的 FinFET 器件。從圖中可以看制溝道 2DEG。同常規(guī) AlGaN/GaN HEMT 器件一樣，在 AlG在濃度很高的 2DEG，納米溝道結(jié)構(gòu)是將導(dǎo)電溝道沿著源漏方道。溝道的兩端是歐姆接觸電極，通過外加偏壓，在大于器件平行于溝道方向的電流。，絕大多數(shù)研究使用的 III 族氮化物材料都是結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的稱晶體，III 族原子和氮原子之間的電負(fù)性不同，化學(xué)鍵極性；AlGaN 與 GaN 中晶體接觸時(shí)由于晶格常數(shù)不同產(chǎn)生晶格不生形變，產(chǎn)生壓電極化，異質(zhì)結(jié)界面應(yīng)力越大，壓電極化效應(yīng)多。

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本文編號(hào)：2825016