氧化镓薄膜材料外延生长及其表征

发布时间：2020-09-12 14:33

　　氧化镓(Ga_2O_3)是一种具备多种优良特性的宽禁带透明导电氧化物半导体材料,近年来在功率型电子器件、气体传感器、日盲探测器等方面有着广泛的应用。尤其在以氮化镓(GaN)为主的第三代宽禁带半导体材料和器件中的应用,但GaN基半导体材料不仅在高温状态下的热稳定性影响肖特基接触,而且GaN基半导体材料表面因易自然氧化形成氧化层,使其性质恶化。因此,复杂的表/界面态成为制约GaN基材料和器件发展的关键因素之一。针对肖特基栅极漏电流是制约GaN基功率型器件发展的主要问题之一,肖特基栅极介质层材料是影响GaN及其多元相关半导体材料(AlGaN、InGaN等)功率型器件性能的关键因素。Ga_2O_3作为肖特基栅极介质层材料能有效解决GaN基功率型器件栅极漏电的问题。因为不仅在GaN及其多元材料表面或界面制备一层Ga_2O_3外延薄膜,取代自然形成的氧化层,提高钝化效果,降低界面态密度,而且在GaN上外延Ga_2O_3薄膜,形成Ga_2O_3/GaN异质结,调控其肖特基势垒高度,会进一步拓展宽禁带材料在光电器件方面的应用。因此展开Ga_2O_3薄膜材料与Ga_2O_3/GaN异质结的研究对GaN基功率型器件性能的提高具有重要的意义。基于以上分析,本文采用远程增强等离子体原子层沉积(RPEALD)技术外延生长Ga_2O_3薄膜材料与Ga_2O_3/GaN异质结,并对Ga_2O_3/GaN异质结能带结构进行了研究。通过讨论等离子体对GaN表面结构的影响,进而研究GaN表面结构对外延生长Ga_2O_3薄膜及Ga_2O_3/GaN异质结的影响,并对其生长机制进行讨论。然后将Ga_2O_3薄膜作为栅介质层用于金属-氧化物-半导体(MOS)结构器件中,并对其电学性质进行研究。本论文的主要研究内容如下:(1)为了获得可控的Ga_2O_3薄膜外延生长工艺参数,采用RPEALD技术方法,研究了脉冲时间、沉积温度、等离子体射频功率和基底等对RPEALD外延Ga_2O_3薄膜沉积速率、表面形貌和化学成分等的影响。结果表明,0.1 s的三甲基镓脉冲和20 s的氧气等离子体脉冲已达到饱和状态,在100-400℃的沉积温度窗口内,Ga_2O_3薄膜的化学态和化学计量比保持恒定。高温时,Ga_2O_3薄膜表面形貌变粗糙。Ga_2O_3薄膜的沉积速率随等离子体射频功率的增加先增后减。相较于Si衬底,在n-GaN外延片沉积Ga_2O_3薄膜的速率为0.24(?)/cycle,外延速率较慢,影响薄膜沉积的效率。(2)基于RPEALD在n-GaN外延片上沉积Ga_2O_3薄膜的效率问题,为了提高Ga_2O_3薄膜的沉积速率,采用NH_3等离子体原位处理n-GaN外延片表面,研究调控n-GaN表面态对RPEALD外延Ga_2O_3薄膜的影响。结果发现Ga_2O_3薄膜的沉积速率增加至0.46(?)/cycle,但不影响Ga_2O_3薄膜的表面平整性和均匀性、化学态和化学计量比;研究发现Ga_2O_3薄膜的生长初期阶段沉积速率增加,使得n-GaN外延片表面形貌的宽台阶变为Ga_2O_3薄膜的窄台阶。另外,NH_3等离子体作用于n-GaN外延片,表面有所损伤,导致Ga_2O_3薄膜的结晶质量较差。(3)为了验证Ga_2O_3介质层能解决栅极漏电流问题,将Ga_2O_3薄膜作为栅介质层应用于MOS结构,研究MOS结构的电学性能。通过RPEALD在传统氧化铝(Al_2O_3)介质层与GaN基半导体之间生长一层2nm的Ga_2O_3薄膜,结果发现在Al_2O_3/Ga_2O_3双介质层MOS结构中的漏电流相较于Al_2O_3介质层的漏电流降低约6个数量级,说明单层超薄2 nm的Ga_2O_3介质层的存在能够起到非常良好的钝化效果,界面态密度大幅度下降,且在沉积Al_2O_3介质层前的原位H_2O处理产生的等离子体也能起到减少界面态密度的效果。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;O614.371

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