發(fā)布時間：2018-03-11 08:05

  本文選題：InGaAs基MOSFET　切入點：柔性材料　出處：《西安電子科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：摩爾定律預測硅材料CMOS器件特征尺寸按比例縮小已經(jīng)接近其物理極限,InGaAs基金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)具有溝道材料電子遷移率高、電子飽和速度大、亞閾值擺幅陡峭、驅動電流大、禁帶寬度可以靈活調(diào)節(jié)以及功耗低等優(yōu)點,有望成為下一代超高速低功耗CMOS器件及電路結構的功能單元。傳統(tǒng)的III-V器件制備工藝成本較高,如果可以將高性能的InGaAs基MOSFET器件與成本較低的柔性材料平臺相結合,則可以大大降低工業(yè)成本,并可實現(xiàn)高性能無機器件的柔性可彎曲性,使未來的微電子器件及集成電路可以適應非平面工作環(huán)境,具備更高的便攜性以及智能化,更適合于更寬的領域應用。本文著重圍繞基于柔性基體的InGaAs MOSFET的器件結構的設計、關鍵工藝的優(yōu)化以及器件的制備等方面展開研究工作,取得的主要研究成果如下：1.建立了Ⅲ-Ⅴ材料表面界面態(tài)產(chǎn)生的物理模型和相應的Ⅲ-Ⅴ MOS電容結構的電路模型,從理論上分析了采用高頻Terman法對高K介質(zhì)/Ⅲ-Ⅴ界面態(tài)密度Dit進行提取的可行性。2.對高K介質(zhì)/GaAs MOS電容的界面物理學及電學特性進行了研究。利用原子層淀積(ALD)技術生長ZnO材料作為N型GaAs襯底表面的鈍化層材料制備Al/Al2O3/ZnO/n-GaAs MOS電容,采用HRTEM、C-V以及XPS等表征手段對其界面質(zhì)量進行測定,實驗表明在高K柵介質(zhì)A1203淀積前采用ALD預淀積ZnO層可以有效地降低GaAs表面的低K值砷/鎵氧化物的含量,從而提高了界面質(zhì)量。3.ALD淀積以及介質(zhì)退火溫度對HfO2/p-GaAs MOS電容界面及電學特性影響的研究。采用ALD技術分別在200、250及300零三個不同溫度下在P型GaAs襯底上淀積Hf02介質(zhì)。結果表明,隨著ALD溫度的上升,HfO2/p-GaAs界面處的砷/鎵低K值氧化物含量明顯降低,得到的C-V曲線"stretch-out"效應減弱,平帶電壓的漂移量減少,回滯電壓值減小,高頻Terman法提取的界面態(tài)密度降低；I-V測試表明不同的ALD生長溫度下相應的MOS電容的柵漏電流輸運的主要機制不同,在低于250℃時,Frenkel-Poole發(fā)射是介質(zhì)層中電流輸運的主導機制,然而當溫度為300℃時,載流子的Schottky發(fā)射成為柵漏電流產(chǎn)生的主要因素,隨著ALD溫度的上升,柵極漏電流呈下降的趨勢。通過對ALD溫度為300℃淀積的HfO2介質(zhì)在不同溫度下退火后制備而成的MOS電容的I-V特性的分析可知,采用500℃的介質(zhì)淀積后退火可以獲得最低柵漏電流。根據(jù)XPS測試結果,退火后高K介質(zhì)/GaAs界面處的砷氧化物含量顯著下降,而相應的Ga203的含量明顯上升,表明在退火的過程中,砷氧化物與GaAs襯底發(fā)生反應,砷氧化物被消耗而轉化為Ga203。對高K介質(zhì)/GaAs MOS系統(tǒng)界面特性的表征和優(yōu)化,是制備高性能的低In組分的InxGa1-xAs表面溝道MOSFET器件的重要先決條件。4.采用COMSOL仿真平臺對納米級GaAs材料功能薄膜層的柔性可彎曲機械性能進行模擬計算,數(shù)值模擬的模型是根據(jù)實際的MOSFET器件的功能層結構設計的。對于GaAs功能薄膜層/PET柔性基體系統(tǒng),當PET材料的彎曲量超過其自身厚度的3倍時,GaAs薄膜層區(qū)域的First、Second以及Third Principle應力均低于GaAs材料的斷裂強度值2.7Gpa,證實了足夠薄的GaAs功能薄膜材料制備而成的無機電子器件理論上可以實現(xiàn)柔性化。根據(jù)借助于柔性圖章的薄膜層轉印技術設計了旨在實現(xiàn)柔性InGaAs MOSFET的外延材料及結構,并通過犧牲層濕法刻蝕“undercut"工藝的優(yōu)化以及濕法反應生成的固態(tài)難溶物清除工藝方法的研究,從原硬質(zhì)GaAs襯底表面剝離出結構完整、無破損且表面光滑的InGaAs(12nm)/GaAs(285nm)/InGaAs(12nm)的功能薄膜層。5.基于柔性PET襯底的In0.2Ga0.8As MOSFET器件制備的工藝流程設計及關鍵工藝研究。采用AutoCAD軟件設計了柔性可彎曲的In0.2Ga0.8As MOSFET器件的版圖結構和工藝流程。設計了非合金化的歐姆接觸金屬體系Ti(20nm)/Pd(40nm)/Au(200nm),與III-V MOSFET研究國際權威專家普渡大學的YePeide團隊制備的類似結構的InGaAs MOSFET采用退火工藝實現(xiàn)的歐姆接觸特性相當。通過優(yōu)化實現(xiàn)刻蝕孔(etching hole)的干法刻蝕工藝,使犧牲層AlGaAs材料可以充分暴露在后續(xù)的濕法刻蝕溶劑中。采用切向應力主導的薄膜層轉印技術實現(xiàn)InGaAs/GaAs/InGaAs功能薄膜層與柔性基體材料PET的集成。6.實驗研制出目前業(yè)界第一只基于柔性PET材料的可彎曲的InGaAs表面溝道增強型MOSFET,器件為柵長為2μm,柵寬為10μm,柵介質(zhì)為10 nm Al2O3的柔性可彎曲InGaAs MOSFET。電學測試結果表明：最大溝道電流為1μA/mm,柵漏電流僅為10-12A量級,表明采用ALD方法淀積的介質(zhì)層A1203具有優(yōu)越的柵絕緣性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN386

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