氮化镓基HFET低温欧姆接触和阈值电压研究

发布时间：2017-10-27 18:35

  本文关键词：氮化镓基HFET低温欧姆接触和阈值电压研究

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【摘要】：GaN基异质结(即AlGaN/GaN)因为其优秀的材料特性,引来了国内外学者的广泛研究。AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)正是利用该材料的这些优势发展起来的大功率,高频率电子器件。采用自对准结构的HFET能缩小器件栅与源,漏之间的串联距离,降低串联电阻,提升器件性能。但是,自对准结构的先栅特性需要栅电极经受欧姆接触退火过程,850℃的退火温度会损害栅电极的肖特基特性。为此,退火温度低于600℃的低温欧姆接触工艺被提了出来,但其接触电阻率大,需要优化。本文对该工艺的退火条件进行改进,降低了欧姆接触的接触电阻率。通过测试应用该工艺的先栅AlGaN/GaN HFET验证了该工艺的实用性。此外,为了降低器件功耗和保证失效安全,发展增强型AlGaN/GaN HFET也是现在的热点之一。本文利用AlGaN层减薄的方法对AlGaN/GaN HFET的阈值电压进行了改进,实现了接近0 V的阈值电压。同时也对AlGaN层减薄造成器件的关态漏电流增加的问题进行了分析。首先,低温欧姆接触是利用ICP处理欧姆接触区域引入N空位并辅以低温退火来实现欧姆接触。在本组已经优化了ICP刻蚀的相关条件后,通过对不同退火温度和不同退火时间进行优化,发现进行1 min的575℃退火后,接触电阻率仅为0.52 Ωmm。此数值与传统工艺相比拟,但退火温度从850℃下降到了575℃。同时,该欧姆接触相关的温度稳定性以及表面形貌的问题,本文也进行了分析。其次,本文介绍了自对准和先栅结构,指出应用这些结构需要低温欧姆接触和耐高温的栅电极。通过对比TiN肖特基二极管在不同退火处理后的I-V曲线,确认了TiN可作为耐高温材料替代Ni/Au用作栅电极。并且,本文通过对比应用低温欧姆接触工艺和传统Ti/Al/Ti/Au欧姆接触的先栅AlGaN/GaN HFET的电学特性,确认了低温欧姆接触工艺的HFET的栅电流相对于传统工艺的HFET从10-4 A下降到了10-7A。综合以上的结果,成功解决了自对准和先栅结构的栅肖特基特性退火受损问题。最后,为了实现增强型的AlGaN/GaN HFET,本文通过AIGaN层减薄的方法对HFET的阈值电压进行了调整。在AlGaN层刻蚀到仅8 nm的情况下,阈值电压为-0.04 V,已接近实现增强型。同时,本文通过对比不同刻蚀条件下HFET器件的Id-Vg、Ig-Vg曲线特性,发现了刻蚀会增加器件的关态漏电流,并对该现象的形成原因做出了一些分析。本论文的研究内容对于改善AlGaN/GaN HFET的制作工艺有可参考的地方,所用的工艺方案也较为常用,具有一定的实用性。
【关键词】：AlGaN/GaN HFET 制作工艺 欧姆接触 阈值电压 先栅结构
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 GaN材料的优势及应用背景10-11
• 1.2 AlGaN/GaN HFET国内外研究进展11-12
• 1.3 AlGaN/GaN HFET所面临的问题12
• 1.4 论文的主要研究内容12-14
• 2 工艺设备及欧姆接触相关概念介绍14-26
• 2.1 AlGaN/GaN HFET的制作工艺设备及相关用途14-17
• 2.1.1 半导体工艺方案及目的14-15
• 2.1.2 工艺制作所用设备15-17
• 2.2 AlGaN/GaN HFET的评估项目与手段17-20
• 2.2.1 基本测试项目及目的17
• 2.2.2 测试所用设备17-19
• 2.2.3 TLM测试介绍19-20
• 2.3 欧姆接触的概念及传统欧姆接触工艺20-22
• 2.3.1 欧姆接触的概念21
• 2.3.2 AlGaN/GaN异质结上的传统欧姆接触介绍21-22
• 2.4 低温欧姆接触工艺介绍22-26
• 2.4.1 ICP刻蚀技术的采用22-23
• 2.4.2 低温欧姆接触工艺的制作过程23-24
• 2.4.3 低温欧姆接触的结果24-26
• 3 低温欧姆接触工艺的退火条件的研究26-39
• 3.1 低温欧姆接触退火条件研究的实验步骤26-29
• 3.1.1 低温欧姆接触退火条件研究所使用衬底结构26-27
• 3.1.2 实验样品制作步骤27-29
• 3.2 低温欧姆接触退火条件研究的测试结果29-36
• 3.2.1 退火温度对于欧姆接触特性的影响29-31
• 3.2.2 退火时间对于欧姆接触特性的影响31-33
• 3.2.3 低温欧姆接触的温度稳定性及高温对刻蚀后衬底的影响33-36
• 3.3 低温欧姆接触的形貌改善36-38
• 3.4 本章总结38-39
• 4 先栅AlGaN/GaN HFET的制作与评价39-55
• 4.1 自对准结构与先栅结构的AlGaN/G-N HFET介绍39-41
• 4.1.1 AlGaN/GaN HFET的串联电阻问题39-40
• 4.1.2 自对准AlG-N/GaN HFET介绍40-41
• 4.1.3 先栅AlG-N/GaN HFET介绍41
• 4.2 TiN栅电极的采用41-44
• 4.2.1 TiN材料用作栅电极的背景41-42
• 4.2.2 TiN肖特基二极管结构的制备42-43
• 4.2.3 TiN肖特基二极管的耐高温特性测试43-44
• 4.3 先栅AlGaN/GaN HFET的制作工艺流程44-49
• 4.3.1 衬底的表面清洗44-45
• 4.3.2 台面隔离45-46
• 4.3.3 栅电极的制作46-47
• 4.3.4 源漏电极的制作47-48
• 4.3.5 先栅AlGaN/GaN HFET制作流程总结48-49
• 4.4 先栅AlGaN/G-N HFET的电学测试49-54
• 4.4.1 欧姆接触性能测试49-52
• 4.4.2 肖特基漏电性能测试52-53
• 4.4.3 输出特性与转移特性测试53-54
• 4.5 本章总结54-55
• 5 ICP刻蚀对AIGaN/GaN HFET阈值电压的影响的研究55-66
• 5.1 AlGaN/GaN HFET的阈值电压定义及计算公式55-57
• 5.2 刻蚀AlGaN层增强型AlGaN/GaN HFET的工艺步骤57-58
• 5.2.1 刻蚀AlGaN改变AlGaN/GaN HFET阈值电压的原理57
• 5.2.2 不同刻蚀时间下AlGaN/GaN HFET的制作57-58
• 5.3 器件性能测试与分析58-65
• 5.3.1 阈值电压的变化情况分析58-62
• 5.3.2 刻蚀改善阈值电压对AlGaN/GaN HFET的关态漏电流的影响62-65
• 5.4 本章总结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况71-73
• 致谢73-74

【参考文献】

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本文编号：1104736