新型GaN基FinFET研究

发布时间：2020-09-23 07:14

　　氮化镓(GaN)因其具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和速度快等优点,被广泛应用于微波器件、功率器件以及GaN数字电路等领域。近年来,众多专家学者对GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的材料和物理特性做了很多深入研究,但高性能的GaN基增强型器件的应用和实现还存在一系列问题,例如阈值电压正移量小、饱和电流小、跨导线性度差等。随着集成电路产业的快速发展,为了满足集成化程度的提升,器件尺寸将不断减小,短沟道效应将会成为制约器件尺寸不断减小的重要因素,类似于Si基鳍式场效应晶体管(FinFET)器件,GaN基FinFET结构可以有效解决短沟道效应,并且三维栅结构可以增强栅控能力,通过优化器件结构可以实现增强型器件。本文基于新型AlGaN/GaN FinFET器件,围绕增强型高性能器件的实现,就器件直流特性以及温度特性展开研究。本文首先介绍利用实验室标准工艺制备了不同Fin宽的AlGaN/GaN FinFET器件,并与制备的槽栅FinFET器件作对比。实验表明了5 nm槽栅深度的FinFET器件的跨导峰值相比常规FinFET器件提高了大约11%,阈值电压偏移量近0.6 V以上。此外,随着槽栅FinFET的Fin宽增加,阈值电压和跨导的变化量均增加。接着采用Silvaco软件仿真了具有不同Fin宽和槽栅深度的槽栅FinFET的直流特性,仿真结果与实验结果吻合较好。同时研究了阈值电压与刻蚀槽后剩余的AlGaN层厚度之间的关系。结果表明,阈值电压变化的斜率随着Fin宽度的减小而减小。在此基础上,建立了槽栅FinFET的简化阈值电压模型,该模型与实验结果和仿真结果吻合较好,为槽栅FinFET实验设计提供了有价值的理论参考。接着,本文提出了具有双沟道AlGaN/GaN异质结构的GaN基增强型FinFET。通过TCAD仿真软件模拟AlGaN/GaN FinFET的直流特性。结果表明,掺杂的AlGaN层使得双沟道AlGaN/GaN FinFET饱和电流和栅极的控制能力得到改善。此外,仿真的短栅长的单双沟道AlGaN/GaN FinFET具有良好的亚阈特性。将第一和第二AlGaN层厚度均设置为20 nm,具有30 nm Fin宽度的双沟道AlGaN/GaN FinFET实现了增强型,并且峰值跨导达到417 mS/mm。最后,具有窄Fin宽度或薄AlGaN层的双沟道AlGaN/GaN FinFET可以实现增强型器件,与单沟道AlGaN/GaN FinFET相比,侧栅控制作用在窄Fin宽度中起主导作用,可为双沟道AlGaN/GaN FinFET器件制备提供有价值的理论参考。最后,本文对制作的不同Fin宽的AlGaN/GaN FinFET以及常规器件的温度特性进行了研究,结果表明:常规HEMT的温度系数γ值为-1.74,而FinFET的温度系数γ值分别为-1.5,-1.37,-1.25,常规HEMT相较FinFET受到温度的影响较大,同时,随着Fin宽的增加,FinFET受到温度的影响越小。在阈值电压方面,常规HEMT的阈值电压的变化量达到0.37 V,而FinFET的阈值电压变化量分别为0.12 V,0.23 V,0.25 V,这表明FinFET具有更好的温度稳定性,并且随着Fin宽度的减小,器件的阈值电压变化量也减小。在DIBL方面,由于栅控能力的不同,常规HEMT的DIBL值从20°C-300°C增加了150%,受温度的影响较大,而100 nm沟道宽度的FinFET的DIBL值从20°C-300°C增加了86%,受温度的影响最小。此外,本文重点研究了跨导随温度变化的两个显著现象并研究了其内在机理。随着温度的升高,窄Fin宽的FinFET的跨导峰值降低越明显的现象,通过计算可以得到,Fin宽越小,其声子散射越强,迁移率降低越大。对于FinFET出现跨导曲线分散现象,经过分析表明,在相同栅压下FinFET中的电子积聚电荷越多,因此更容易使库伦散射占主导。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

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接下来进一步阐述 GaN 基 FinFET 的研究进展。1.3 GaN 基 FinFET 器件的研究意义与发展进程图1.1常规 AlGaN/GaN FinFET 结构图随着集成电路的发展，为了满足集成化程度的提升，器件尺寸将不断减小，由此引起的短沟道效应会造成栅介质泄漏电流、源漏穿通等问题，而具有立体结构的FinFET 器件能较好的抑制短沟道效应[17]，原因是 FinFET 具有三维环栅电极结构，增加了栅极对沟道的控制面积，使得器件的栅控能力增强同时阈值电压向正向移动[18]，AlGaN/GaN FinFET 结构如图 1.1 所示。在 2013 年，K. S. Im 等人[17]制作了纳米沟道宽度为 80 nm

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流特性参数。SiN 钝化层可以改善界面特性，还可以有效抑制电流崩塌等进而提高器件可靠性。图2.1( a ) AlGaN/GaN HEMT ( b ) AlGaN/GaN FinFET 结构图AlGaN/GaN FinFET 器件结构与传统的 HEMT 器件结构类似，区别在于 FinFET器件需要制备多条纳米导电沟道，在 Fin 沟道上方淀积一层立体的栅金属，形成图中7

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西安电子科技大学硕士学位论文有周期性排列的多条 Fin 沟道的 FinFET 器件。从图中可以看制沟道 2DEG。同常规 AlGaN/GaN HEMT 器件一样，在 AlG在浓度很高的 2DEG，纳米沟道结构是将导电沟道沿着源漏方道。沟道的两端是欧姆接触电极，通过外加偏压，在大于器件平行于沟道方向的电流。，绝大多数研究使用的 III 族氮化物材料都是结构比较稳定的称晶体，III 族原子和氮原子之间的电负性不同，化学键极性；AlGaN 与 GaN 中晶体接触时由于晶格常数不同产生晶格不生形变，产生压电极化，异质结界面应力越大，压电极化效应多。

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