热蒸发SiO_x在氮化镓高电子迁移率晶体管中的应用研究

发布时间：2020-06-21 08:26

【摘要】：GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借其高跨导、高饱和电流、高击穿电压等特点,成为近十多年来微电子器件领域的研究热点,在高温、高频、大功率电子器件领域有着广阔的应用前景。尽管人们已经对GaN HEMT器件进行了很多研究,但是受电流崩塌效应、漏电流大等问题影响,GaNHEMT器件距离大规模商业化还有一定的差距。由于目前GaN HEMT的器件机理和工艺技术还不是很成熟,对于GaN HEMT器件器件制备工艺的优化和性能参数的研究尤为重要。本论文首先对GaN HEMT的欧姆接触工艺进行了优化。然后分别研究了不通氧热蒸发的SiOx(x=1.1)和反应热蒸发的SiOx钝化层(1.1≤x≤1.7)对GaNHEMT性能的影响。本论文还对热蒸发的SiOx作栅介质的GaN金属-氧化物-半导体HEMT(MOS-HEMT)的器件性能进行了研究。最后,利用Silvaco仿真软件对使用SiOx作为绝缘介质层的单场板和双场板结构的GaNHEMT器件进行了仿真计算,优化了场板结构的参数。本论文的具体内容如下:1.GaNHEMT器件欧姆接触的优化将电极间距为10μm的样品在氮气中退火,利用传输线法(TLM)计算了欧姆接触电阻Rc、比接触电阻率ρc等参数,对Al/Ti厚度比例、退火温度、退火时间和合金金属等参数进行了优化。Al/Ti厚度比例存在一个最优值使欧姆接触达到最佳。在850℃,40 s的退火条件下,Ti/Al/Ni/Au电极的Rc和ρc都是随Al/Ti厚度比例的增加先减小后增加。在Al/Ti厚度比例为5:1时达到最佳,分别为0.85Ω·mm和2.2 × 10-5Ω·cm2。Ti/Al/Ni/Au电极的Rc和ρc都是随退火温度(或时间)的增加先减小后增加。由于Au会向半导体内进行扩散掺杂,温度过高或者时间过长时欧姆接触开始变差。采用Al/Ti/Ni/Au(30/150/50/60nm)的多金属层在氮气中900℃退火50s时欧姆接触达到最佳,Rc和ρc分别为0.24Ω·mm和1.3 × 10-6Ω·cm2。将该条件下的金属电极再进行300 ℃退火10分钟后没有明显退化,证明该欧姆接触具有良好的热稳定性。在相同的退火条件下(900 ℃,50s),Ti/Al/Ni/Au 的Rc和 ρc要比 Ti/Al/Ti/Au(0.53 Ω mm,6.7×10 6 Ω·cm2)低很多。2.热蒸发的SiOx钝化层的研究(1)不通氧热蒸发的SiOx钝化层对GaN HEMT性能的影响研究了(不通氧)热蒸发的SiOx钝化层对GaNHEMT器件性能的影响,并与PECVD生长的SiNx钝化的器件进行了对比。由于钝化层对表面陷阱的抑制作用,SiOx和SiNx钝化的HEMT器件的最大漏极电流Idmax分别增加19%和25%,峰值跨导gm分别增加了 18%和24%。SiOx钝化的器件的关态电流Ioff要比SiNx钝化的器件高三个数量级。SiOx钝化后器件的陷阱密度Dit明显减小(1.16×1012cm-2·eV-1),而 SiNx钝化(1.13×1013cm-2·eV-1)的器件明显增加。这很有可能是由于PECVD生长SiNx过程中引入的离子轰击造成的,而热蒸发没有这种损伤。SiOx钝化的器件栅漏电Igleak降低了一个数量级,而SiNx钝化的器件增加了一个数量级。未钝化、SiOx钝化和SiNx钝化之后HEMT器件的肖特基势垒高度Φb分别是0.79、0.85和0.73 eV。SiOx钝化使Φb增加,导致了栅漏电减小Igleak中应该还包括与陷阱的密度和陷阱能量有关的隧穿电流。激活能为0.21 eV的表面陷阱与GaNHEMT器件的栅漏电机制密切相关,而这些陷阱又会受不同钝化工艺的影响。SiOx钝化的HEMT器件的击穿电压Vbr从175 V增加到206 V,而SiNx钝化的器件则减小到111 V。由于钝化材料和钝化方法的不同,SiOx和SiNx钝化的HEMT器件的截止频率从4.0 GHz分别增加到了 5.2和5.8 GHz。在偏压应力测试中,由于栅电子注入和逆压电效应使HEMT器件在施加偏压应力后漏极电流、跨导和栅漏电等参数都发生了明显的退化,而且退化程度随偏压(或者时间)的增加而增加。负的栅偏压会引起AlGaN/AlN/GaN异质结中的逆压电效应,使晶格迟豫而产生新的晶格缺陷,构成可以束缚电子的陷阱。在加入SiOx钝化层后,器件的漏极电流退化程度明显降低。这说明SiOx钝化层可以减少束缚电子的表面陷阱密度,从一定程度上消除了虚栅效应引入的性能退化。在Vgs =-20V、Vds = 0V的应力下偏置2小时,发现未钝化器件的Idmax和gm分别降低了 36.4%和36.8%,而SiOx钝化的器件则分别为13.0%和12.8%。此外,SiOx钝化的器件(1.4 × 10-4 mA/mm)的Igleak也比未钝化器件(2.8 × 10-2mA/mm)的低两个数量级。这是由于SiOx钝化层可以减少AlGaN势垒层的表面陷阱,从而减少栅电子的注入。此外,SiOx钝化层在AlGaN势垒层引入的应力也可以抑制逆压电效应。(2)反应热蒸发的SiOx钝化层对GaNHEMT性能的影响本实验研究了在通氧气时,不同反应室气压下热蒸发的SiOx钝化层对GaN HEMT器件性能的影响,并对SiOx薄膜材料的性质进行了表征。随着反应室气压的增加,即通氧量的增加,SiOx中氧组分x的值增大。SiO在蒸发的过程中被氧化成SiOx,在背景真空为1×10-6-6 × 104Torr的范围内,x的值在1.1到1.71之间。AFM图像显示不同组分的SiOx薄膜的方均根粗糙度小于1nm,粗糙度随反应室气压的增加而增加。不同组分的Six使器件的Idmax有不同程度的增加,这是由于钝化层化学组分不同造成的,亦或是不同的钝化层对于AlGaN势垒层应力的不同造成的。在脉冲模式下未钝化的HEMT器件的Idmax下降了28.2%,而薄膜B(SiO1.23)钝化的器件的电流崩塌只有11.5%。薄膜C(SiO1.41)、D(SiO1.54)和E(SiOi.71)对电流崩塌的抑制效果并没有那么明显,分别为20.2%、25.7%和28.1%。这可能是因为这些样品中存在的较高密度的SiOx/AlGaN界面陷阱。除薄膜E外,SiOx钝化之后的Ioff都有接近一个数量级的减小。这种Ioff的变化与器件表面陷阱态密度或者电子在器件表面跳跃传导的活化能不同有关。薄膜B钝化的HEMT器件的Igleak最低,比未钝化器件降低了近20倍。薄膜A、C和D钝化的器件的Ieak也有不同程度的降低。然而,薄膜E钝化的器件的Igleak上升了一个数量级。SiOx/AlGaN之间的界面陷阱会影响器件的栅漏电。与未钝化的(99V)、薄膜A(138V)、C(143V)、D(124V)和 E(87V)钝化的 HEMT 器件相比,薄膜B钝化的器件的Vbr(151 V)最大。3.热蒸发SiOx作栅介质的GaN MOS-HEMT的研究主要研究了具有不同厚度(10-30nm)的不通氧热蒸发的SiOx作栅介质的GaNMOS-HEMT,并与传统的金属-半导体HEMT(MES-HEMT)进行了对比。热蒸发工艺没有离子轰击,对器件表面没有损伤。而且热蒸发工艺没有高温生长过程,可以使用剥离工艺制备栅介质图形,避免了干法或者湿法刻蚀对半导体带来的损伤。与MES-HEMT(317mA/mm)相比,具有10、20和30nm厚度SiOx栅介质的MOS-HEMT器件的Idmax分别为380、402和452 mA/mm。这可能是因为SiOx介质层对表面陷阱起到了抑制作用,减少了虚栅效应。亦或是SiOx介质层在AlGaN层引入了应力,从而使异质结极化效应增强,进而使二维电子气浓度增加。因此,MOS-HEMT器件的电子气浓度会随着SiOx厚度的增加而增大。由于电子气浓度的增加,沟道的导电性变得更好,MOS-HEMT器件的通态电阻明显减小。此外,MOS-HEMT具有更低的Ioff和较高的开关比。尤其是在含有30nm厚的SiOx栅介质的器件中,Ioff降低了两个多数量级,开关比达到1.4×108。MOS-HEMT 的 Dit(～1.0×10 12cm-2·eV-1)明显低于 MES-HEMT 器件(2.4× 1012 cm-2·eV-1)。这使得SiOxMOS-HEMT在栅漏电、击穿电压和电流崩塌等方面都有极大的改善。与MES-HEMT器件相比(6.4 × 10-5mA/mm),含有30nm厚的Six的MOS-HEMT的Igleak(9.6×10-7 mA/mm)降低了近两个量级,击穿电压增加了 100V。这是由于势垒高度的增加抑制了载流子在金属和半导体之间的注入。此外,电流崩塌程度比MES-HEMT器件平均减小46%,截止频率和最大振荡频率分别增加了 144%和74%。4.场板结构GaN HEMT的击穿特性的Silvaco仿真利用Silvaco仿真软件对使用SiOx作为绝缘介质层的单场板和双场板结构的GaN HEMT器件进行了仿真计算。详细研究了 HEMT器件的击穿特性,对两种场板的结构参数(场板长度Lfp和SiOx厚度t)进行了优化,使器件的击穿电压达到最大。单场板器件在Lf[=1 μm,t = 0.4 μm时,Vbr达到465 V,比无场板结构的器件(119V)增加270%。双场板器件在Lfp1=Lfb2=1.5 μm,t22=0.2μm时,Vbr为566V,分别比无场板和单场板器件增加了 380%和22%。相比没有场板的情况(42V/μm),单场板和双场板HEMT器件的击穿强度Vbr/Lgd分别提升到88和105 V/μm。此外,还对器件沟道内部电场分布和偏压对其产生的影响进行了研究,并对电场分布与击穿电压之间的关系进行了分析。结果表明,场板是提高HEMT器件耐压性能的有效手段,双场板对器件的击穿特性的提升比单场板结构更有效。利用Silvaco软件仿真使用SiOx作为绝缘介质层的GaN HEMT器件的击穿特性对以后实际器件的设计和制备具有指导意义。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

ＩＩＩ族氮化物材料近年来成为人们研究的热点。ＩＩＩ族氮化物材料的带逡逑隙宽度范围可以从0．７ｅＶ邋（ＩｎＮ）到６．２ｅＶ邋（Ａ１Ｎ），与其他系列材料相比，逡逑ＩＩＩ族氮化物材料的晶格常数更小（图１．３）邋［１７，１８］。相比于ＩｎＰ和ＳｉＣ系列材逡逑料，ＧａＮ材料兼具高频、大功率的应用优势（图１．４）邋Ｗ。逡逑２逡逑

逦１００邋ＧＨｚ逡逑Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ逡逑图１．４不同半导体材料射频功率与频率的依赖关系。逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＲＦ邋ｐｏｗｅｒ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ．逡逑表ｉ．ｉ列出了几种高频大功率器件应用领域常用的几种半导体材料。通逡逑过一些材料性质的对比，我们发现，Ｓｉ材料可以满足低功率和微波低频段应逡逑用的需求。由于硅工艺和器件设计成熟，硅材料在短时间内应该是无法被取逡逑代的。但是，由于某些特殊材料特性的限制，比如低击穿场强（０．３邋ＭＶ／ｃｍ）、逡逑低电子饱和漂移速度（ｌ0７ｃｍ／ｓ），硅材料很难满足高频、大功率领域的应用。逡逑ＧａＡｓ虽然有较高的饱和电子漂移速度（１邋ｘ邋ｌ0７ｃｍ／ｓ）和非常高的低场迁移率逡逑３逡逑

本文编号：2723806