一种GaN基场控能带新器件设计与制备工艺研究

发布时间：2020-07-08 11:14

【摘要】：GaN是第三代宽禁带半导体材料的代表之一,具有优良的材料特性。GaN半导体材料拥有高临界击穿电场、高电子迁移率、高二维电子气(2DEG)浓度和高热导率。优异的材料特性使得GaN基功率器件具备高耐压、正向导通电阻低、工作频率高等优势。这些优势可以帮助功率系统缩小体积、降低功耗的同时增强其在恶劣环境中的可靠性。目前,AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)已广泛应用于功率半导体领域。常规AlGaN/GaN异质结材料有很强的压电效应和自发极化效应,使得异质结界面GaN一侧天然具有较高电子迁移率和高浓度的二维电子气(2DEG)。高导电能力的二维电子气(2DEG)沟道使得常规AlGaN/GaN异质结高迁移率晶体管(HEMT)具有高开关速度和低导通损耗的同时具有常开特性。常开特性限制了AlGaN/GaN HEMT的广泛应用。为了实现常关特性的GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT),需要采取一些特殊的工艺和结构。本文的主要工作就是提出一种增强型GaN基场控能带新器件,该器件具有MIS栅极结构、肖特基接触和槽栅结构等特点。首先,结合相关文献对AlGaN/GaN异质结的极化效应和AlGaN/GaN HEMT工作机理以及增强型器件的实现方式做了理论分析。其次,通过分析增强型技术方案对器件能带分布的影响引出场控能带技术(FCE)。最后通过场控能带技术提出GaN基新器件并通过Sentaurus TCAD仿真平台对新器件的电学特性和能带分布进行仿真分析。分析并阐述了部分减薄栅极下方AlGaN势垒厚度和肖特基隧穿结对器件能带分布和电学特性影响。其中AlGaN/GaN双向开关器件(MBS)具备双向导通和阻断能力,单向导通时开启电压为0.9V,在1μA/mm的漏电流条件下,耐压达到500V;AlGaN/GaN逆阻型MIS-HEMT具备反向阻断能力,开启电压达到0.6V,在1μA/mm的漏电流条件下,耐压达到450V,在栅压和源漏电压为10V的时候,沟道电流达到0.83A/mm。通过总结在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的实验经验,介绍了隧穿增强型AlGaN/GaN HEMT的工艺流程。对工艺流程中的部分重要环节进行研究和优化,如欧姆金属的高温快速退火处理以及栅槽刻蚀界面的优化。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN303
【图文】：

晶体结构,氮化物,晶体,纤锌矿

lGaN/GaN异质结器件结构以及工作原理。最后MT制备工艺中的重点工艺环节。N 异质结极化效应、InN等III族氮化物半导体材料通常具有纤锌矿和常温和标准大气压下，纤锌矿结构的氮化物晶体材料更具热力学稳定性。因此现在大多数的研究化物晶体。本文所采用的氮化物材料的结构即是的氮化物晶体材料的晶体结构如图2-1所示[26]。从晶体材料是一个六方对称的晶体结构，拥有Ga面构的晶体极轴在c轴。III族氮化物的晶体结构是起来的结构。GaN晶体沿着c轴的[0001]方向堆积通过这种方式形成的纤锌矿GaN晶体具有Ga面极GaN晶体沿着c轴的[0001]方向堆积，Ga原子面性面的GaN纤锌矿晶体在物理和化学上表现出不

栅极,器件结构,晶体管

分布的影响来引出场控能带技术（FCE，Field Control Energy-band）。2007年，Yasuhiro Uemoto等人提出一种带有p-AlGaN帽层的栅注入晶体管（GIT），图3-5所示是GIT的器件结构示意图和垂直方向上的能带分布[65]。从图中可以看出，p型AlGaN的引入抬高了导带能级，使得i-AlGaN势垒层内成为带有内建电场的pn结，汇聚载流子的量子阱消失，此时二维电子气沟道被夹断，器件表现出常关特性。(a) (b)图 3-5 栅注入晶体管 (a)器件结构；(b)栅极下方能带分布[65]10nm 20nmEC（eV）GaNAlGaN材料表面沿生长方向10nm 20nmEC（eV）AlGaNGaN材料表面沿生长方向ns=1012cm-3(a) (b)图 3-6 薄势垒器件垂直方向导带分布图 (a)栅极下方；(b)栅源和栅漏之间[66]归功与薄势垒技术，Khan等人提出了全球首个GaN基增强型器件[66]，该器件的势垒层为10nm的AlGaN,其Al组分为10%。如图3-6所示为薄势垒增强型器件的能带结构示意图。从图中可以看出，依靠10nm的薄势垒对导带的抬升作用，栅极下方的沟道被耗尽；栅极与源极和栅极与漏极之间则通过对GaN缓冲进行掺杂拉低导

能带模型

效应来改变异质结能带结构来设计器件的思路。同时考虑表面态、陷阱和掺杂，可以用来设计不同模式的AlGaN/GaN异质结器件。该思路通过仿真和工艺实现得到了很好的验证。场控能带技术的模型如图3-8所示。从图中可以看出，沟道内二维电子气的浓度取决于极化效应强度、内建电场和外加电场的强度。这一思路的引入可以极大的方便对AlGaN/GaN异质结器件的设计和分析。本文工作将建立在场控能带的模型下，并通过场控能带模型实现器件设计和工艺制备。

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