氟离子注入氮化镓肖特基结的电学及光电特性研究
发布时间：2020-09-15 08:04
得益于氮化镓(GaN)基半导体优越的材料特性,在过去20年间,GaN基高电子迁移率晶体管(HEMTs)在高频功率放大器、高效电源开关及耐高温的集成电路等应用方面得到了快速发展。由于增强型(常关)HEMTs在电路设计上可以简化电路结构,减少设计复杂度及固有的失效保护优势,其制备方法受到了广泛关注。通过CF_4等离子体处理技术实现氟离子注入AlGaN势垒层,并利用注入氟正离子的强电负性完全耗尽AlGaN/GaN异质结界面的二维电子气(2DEG),达到关闭沟道的作用,有效调控器件阈值电压往正向偏移,可将传统耗尽型AlGaN/GaN HEMTs转变为增强型器件。但值得指出的是,在此类研究中并没有观察到p型掺杂效果,这主要是因为AlGaN势垒层的禁带宽度太大,氟正离子获得电子后对价带的调节作用有限,无法形成空穴量子阱。此外,由于氟的质量和尺寸都很小,扩散能力强,其在势垒层内的热稳定性尚不明确。因此,系统地研究氟离子注入对GaN基器件电学和光电特性的影响,对于方便有效地利用该技术制备不同的器件,具有很好的科学价值和应用前景。和结构相对复杂的GaN基HEMTs相比,金半接触二极管结构不存在压电极化效应,且拥有更直观清晰的物理图像,非常适合分析氟离子注入对GaN基器件产生的影响。本论文的主要研究内容归纳如下。1、利用标准光刻和lift-off技术在自支撑GaN外延片上制备了氟离子注入Ni/Au/n-GaN肖特基结,用电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au制作了欧姆接触电极,同时采用相同工艺和结构制备了未注入器件供对比分析。阴极荧光(CL)谱表征结果表明,相比于图形化蓝宝石及硅衬底异质生长GaN,自支撑GaN外延片位错密度较低(~10~6 cm~(-2)),有利于制备理想的肖特基接触。在制备器件之前,通过SRIM软件对离子注入的工艺参数进行了模拟,并结合二次离子质谱(SIMS)表征进行验证,研究了氟离子在GaN中的浓度分布及注入损伤。随后,测试了两种器件在室温下的电流-电压(I-V)及电容-电压(C-V)特性。结果表明,氟离子注入器件的漏电流比未注入器件减小7个数量级,证明氟离子注入能有效抑制反向漏电流;内建电势由1.30 V升至3.22 V,表明在平衡状态下费米能级与价带顶最大值仅存在几个kT的能量差,意味着高浓度的自由空穴已被诱导出来。2、研究了氟离子注入GaN肖特基结的电学特性。测试了器件在300-480 K的变温I-V特性,由经典热发射模型提取理想因子n初步判断电流输运机制,并基于不同输运机制对特性曲线进行拟合。结果表明,在较低偏压下,正向变温电流主要由缺陷辅助隧穿(TAT)机制占主导;在较高偏压下,随温度升高,复合机制向热发射(TE)机制转变;反向变温电流表现出强的温度依赖特性,拟合结果表明隧穿几率与温度呈正相关线性依赖关系。随着频率由低频(1 MHz)逐渐升到高频(4 MHz),耗尽区电容随频率增加快速增大,呈现明显的电容强散射现象。不同频率下,氟离子注入GaN肖特基结的1/C~2-V关系再次表明,平衡态时GaN的价带最高位置已经超过费米能级,形成了空穴量子阱结构。3、研究了氟离子注入GaN肖特基结的光电特性和低频噪声特性。对比研究发现,器件具有紫外光响应特性及持续光电导效应。当偏置电压为-5 V时,器件的峰值响应度为~0.045 A/W,对应的最大外量子效率为~15.5%,紫外/可见光抑制比为~10~3,在294-340 K的温度内平均衰减时间常数τ约为35 ms。正向电流注入条件下,器件在黑暗环境中可观察到明显的电致发光(EL)现象。除可见光外,EL光谱在紫外波段的375 nm处还存在显著的发光峰,也验证了表面费米能级低于最高价带的位置处产生了高浓度的自由空穴。此外,离子注入后的快速热退火修复了大量的晶格损伤,有效抑制了内部缺陷和表面态的增加,因此1 kHz频率以内的噪声电流密度并未有显著增加,氟离子注入对半导体材料的影响在可控范围。特别是当器件工作在-2 V偏置下,氟离子注入器件表现出良好的低频噪声特性,噪声等效功率为9.72×10~-1111 W,探测率为1.42×10~(10) cm·Hz~(1/2),呈现出潜在的紫外探测能力。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：
绿色环保的要求，一方面，人们需要持续投入精力开发太阳能、风能、地热能和生物能等可再生资源，另一方面，也需要加快改进和优化各种电力转换系统的步伐，提高电能转换效率。目前，发展成熟的电力电子器件多是采用硅（Si）材料制作的，器件性能已经在各个方面都非常逼近极限值。因此，为了获得突破性的性能提高，一个重要的办法就是寻求可替代的新型半导体材料。与众多功能各异的半导体器件不同，电力电子器件常常工作在大电流、高电压及高温等特殊条件下，这就需要所选择的材料具有较高的临界击穿场强、较大的禁带宽度及较高的热导率等特性[1]。继第一代半导体材料（Si、Ge）和第二代半导体材料（GaAs、InSb 等化合物半导体）之后，作为第三代半导体材料代表的氮化镓（GaN）无疑是制备高性能电力电子器件的优选材料之一[2-8]。图 1-1 所示为电力电子器件在基础设施、家庭、个人三大应用层中随时间演变发展的过程，应用层的分类取决于所需的电压范围[9]。2000 年以来，以碳化硅（SiC）二极管/金属氧化物半导体（MOS）和 GaN 场效应晶体管（FET）为代表的宽禁带半导体功率器件开始出现在应用市场。2014 年，中村修二（Shuji Nakamura）等人被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们对 GaN 蓝光发光二极管（LED）的贡献，这也更加促进了 GaN 材料外延技术乃至 GaN 基半导体器件的快速发展。
江南大学硕士学位论文极制备工艺是制作电力电子器件的基础工艺，受到了广泛的研究与关注[作为电力电子器件中不可或缺的重要组成结构，直接关系着电力转换系统性。aN材料的性质 族氮化物通常存在闪锌矿型（Zinc-Blende）和纤锌矿型（Wurtzide）两种于具有更好控制的电子特性和更高的结晶质量，大多数 III 族氮化物器件长在 c 轴方向上的纤锌矿结构的晶体[13]，如图 1-2(a)所示。纤锌矿结构属其 III 族氮化物的晶胞包括两个 III 族原子和两个氮原子。图 1-2(b)显示了氮化物晶体的三个重要平面，分别是极化 c 面、无极化的 m 面和 a 面。 c 轴方向上生长，使得极化 c 面成为表面。最近的研究表明 a-和 m-方向表面分别由 m-(1-100)面和 a-(11-20)面形成[14]。
[20]。 III 族氮化物中最受关注的宽禁带半导体材料，具有大的禁度、耐高压、耐高温热分解、抗辐照等特点，表 1-1 比较了要物理参数。可以看出，GaN 的禁带宽度及击穿电场较前所制备的器件可以承受更高的工作电压，能够保证 GaN 基用。由于导带不连续及强烈的压电极化效应，AlGaN/GaN 异二维电子气（2DEG），具有高电子迁移率，利用这一特性发移率晶体管（HEMTs）近年来发展迅速。GaN 的热导率较高温条件下。此外，作为直接带隙半导体，GaN 适于制备发]及激光二极管（LD）[23]。表 1-1 GaN 和 Si、GaAs 的主要参数比较禁带宽度(eV)击穿场强(MV·cm-1)电子迁移率(cm2·V-1·s-1)2DEG 浓度(cm-2)热导率(W/cm·K)1.12 0.3 1400 2.6×10121.5 1.43 0.4 8500 3.5×10120.5 3.43 3.5 1000 ~ 2000 2.0×1013>1.7
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：
绿色环保的要求，一方面，人们需要持续投入精力开发太阳能、风能、地热能和生物能等可再生资源，另一方面，也需要加快改进和优化各种电力转换系统的步伐，提高电能转换效率。目前，发展成熟的电力电子器件多是采用硅（Si）材料制作的，器件性能已经在各个方面都非常逼近极限值。因此，为了获得突破性的性能提高，一个重要的办法就是寻求可替代的新型半导体材料。与众多功能各异的半导体器件不同，电力电子器件常常工作在大电流、高电压及高温等特殊条件下，这就需要所选择的材料具有较高的临界击穿场强、较大的禁带宽度及较高的热导率等特性[1]。继第一代半导体材料（Si、Ge）和第二代半导体材料（GaAs、InSb 等化合物半导体）之后，作为第三代半导体材料代表的氮化镓（GaN）无疑是制备高性能电力电子器件的优选材料之一[2-8]。图 1-1 所示为电力电子器件在基础设施、家庭、个人三大应用层中随时间演变发展的过程，应用层的分类取决于所需的电压范围[9]。2000 年以来，以碳化硅（SiC）二极管/金属氧化物半导体（MOS）和 GaN 场效应晶体管（FET）为代表的宽禁带半导体功率器件开始出现在应用市场。2014 年，中村修二（Shuji Nakamura）等人被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们对 GaN 蓝光发光二极管（LED）的贡献，这也更加促进了 GaN 材料外延技术乃至 GaN 基半导体器件的快速发展。
江南大学硕士学位论文极制备工艺是制作电力电子器件的基础工艺，受到了广泛的研究与关注[作为电力电子器件中不可或缺的重要组成结构，直接关系着电力转换系统性。aN材料的性质 族氮化物通常存在闪锌矿型（Zinc-Blende）和纤锌矿型（Wurtzide）两种于具有更好控制的电子特性和更高的结晶质量，大多数 III 族氮化物器件长在 c 轴方向上的纤锌矿结构的晶体[13]，如图 1-2(a)所示。纤锌矿结构属其 III 族氮化物的晶胞包括两个 III 族原子和两个氮原子。图 1-2(b)显示了氮化物晶体的三个重要平面，分别是极化 c 面、无极化的 m 面和 a 面。 c 轴方向上生长，使得极化 c 面成为表面。最近的研究表明 a-和 m-方向表面分别由 m-(1-100)面和 a-(11-20)面形成[14]。
[20]。 III 族氮化物中最受关注的宽禁带半导体材料，具有大的禁度、耐高压、耐高温热分解、抗辐照等特点，表 1-1 比较了要物理参数。可以看出，GaN 的禁带宽度及击穿电场较前所制备的器件可以承受更高的工作电压，能够保证 GaN 基用。由于导带不连续及强烈的压电极化效应，AlGaN/GaN 异二维电子气（2DEG），具有高电子迁移率，利用这一特性发移率晶体管（HEMTs）近年来发展迅速。GaN 的热导率较高温条件下。此外，作为直接带隙半导体，GaN 适于制备发]及激光二极管（LD）[23]。表 1-1 GaN 和 Si、GaAs 的主要参数比较禁带宽度(eV)击穿场强(MV·cm-1)电子迁移率(cm2·V-1·s-1)2DEG 浓度(cm-2)热导率(W/cm·K)1.12 0.3 1400 2.6×10121.5 1.43 0.4 8500 3.5×10120.5 3.43 3.5 1000 ~ 2000 2.0×1013>1.7
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本文编号：2818713
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