GaN基电子器件势垒层应变与极化研究

发布时间：2020-10-20 14:23

　　 GaN基异质结场效应晶体管(HFETs)由于其禁带宽度大、临界击穿电场强、饱和电子漂移速度高、化学性质稳定以及由极化效应产生的二维电子气(2DEG)输运特性优越等特点,非常适合应用于抗辐射、高温、高压、高频、大功率电子器件,在无线通信基站、汽车电子、电力传输、卫星、雷达探测、航空航天、核工业和单片微波集成电路(MMICs)等国民经济和国防建设领域中有着广泛的应用。虽然围绕GaN基电子器件的研究已经长达二十几年,GaN基HFETs器件的各项参数水平有了很大的进步,也有一些器件从实验室走向了市场,然而,器件可靠性问题仍然是GaN基电子器件大规模应用的一大瓶颈,因此可靠性问题的研究是现如今GaN基电子器件最热点研究问题之一。器件应用中所使用的Ⅲ-族氮化物材料为极性材料,极化效应是Ⅲ-族氮化物材料体系有别于其它半导体材料体系的最重要特征,自发极化和压电极化可以对应变Ⅲ-族氮化物材料的载流子浓度、分布以及复合产生极大的影响。对于GaN基异质结材料(包括AlGaN/GaN、AIN/GaN以及InAlN/GaN等),上述极化效应的影响会变得更加强烈,这些异质结材料,无需任何掺杂,仅仅通过极化应力就可以在异质界面处的量子阱中产生高达1013cm-2量级的2DEG。研究表明,器件制造过程中的各个工艺过程基本上都会对GaN基HFETs器件势垒层应变分布均匀性产生一定的影响,而势垒层应变分布的不均匀会导致势垒层极化电荷的分布不均匀,由此产生对沟道2DEG的散射作用,这就是极化库仑场散射。通过已有的研究我们知道,极化库仑场散射是GaN基HFETs器件中最重要的散射机制之一,对器件的载流子迁移率有着极其重要的影响。同时,研究表明,器件工作过程中势垒层应变的变化在器件退化以及失效过程中扮演着极其重要的角色。因此,GaN基电子器件势垒层应变与极化的研究对于提高器件性能以及稳定性非常有意义。本文首先提出了一种确定GaN基HFETs器件栅下势垒层应变的方法,然后分析了栅极快速热退火、栅金属以及栅结构对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能的影响,主要研究了这些因素对势垒层应变与极化的作用。另外,还对AIN/GaN这种新兴异质结材料的盖帽层和边欧姆接触工艺开展了研究,具体包括以下内容：1、确定GaN基HFETs器件栅下势垒层应变方法的研究由极化效应引起的极化电荷对于GaN基HFETs器件的性能至关重要,而极化效应是与势垒层应变直接相关的,栅下势垒层的应变直接影响着沟道2DEG特性,然而,由于GaN基异质结材料中势垒层往往都非常薄,并且由于很厚的栅金属层的阻挡作用,常规的应变测试方法均无法直接分析得到栅下势垒层的应变信息,因而非常有必要研究一种可以直接确定栅下势垒层应变的方法。我们提出了一种从GaN基HFETs器件的正向电流-电压(I-V)特性曲线以及电容-电压(C-V)特性曲线获取栅下势垒层应变的方法。该方法首先通过对器件电学特性的分析,从实验的角度获取了栅电极下方总的极化电荷面密度,然后通过基本极化理论,推导出了栅电极下方极化电荷面密度,两者相结合确定了GaN基HFETs器件栅下势垒层应变的基本信息。运用此种方法,我们分别计算了常规欧姆接触和边欧姆接触AlGaN/AlN/GaN HFETs器件栅下势垒层的应变。发现这两种器件均是越靠近欧姆接触区域,势垒层张应变越弱,为了研究这种现象的成因,我们对器件进行了SEM-EDS测试,分析发现常规欧姆接触工艺对于AlGaN/AlN/GaN HFETs器件的势垒层应变有着极其重要的影响,而边欧姆接触工艺由于其相对较低的退火温度和较小的金属覆盖面积,对于由欧姆接触工艺引起的势垒层应变变化有着很好的缓和作用,边欧姆接触工艺的使用可以有效减弱极化库仑场散射,对于器件电学特性的提升有着不错的效果。2、栅极快速热退火对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影响的研究我们研究了快速热退火对于以Ti/Al/Ni/Au和Ni/Au金属作为栅电极的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能的影响,对于以Ti/Al/Ni/Au金属作为栅电极的器件,通过微区拉曼以及器件电学性能的测试,我们发现适度地快速热退火不仅可以使AlGaN势垒层的应变分布变的均匀一些,从而有效减弱极化库仑场散射,提高器件2DEG电子迁移率,还可以有效提高器件肖特基势垒高度,改善器件直流输出特性。然而,过度地快速热退火却不但使上述提到的电学性能变差,还会使AlGaN势垒层的应变分布重新变的不均匀。对于以Ni/Au金属作为栅电极的器件,我们发现在400℃以下退火时,Ni/Au栅电极表现出了非常不错的热稳定性,栅电容以及栅下2DEG面密度基本未发生变化。然而,当栅退火温度进一步提升,达到600℃以及更高时,可以看到,栅下2DEG面密度急剧下降,器件阈值电压也开始明显正向漂移,通过计算栅下应变我们发现,较高的退火温度会对器件势垒层的晶格结构起到破坏作用,使得器件退化甚至失效,并且退火温度越高,破坏作用越强。3、栅金属及栅结构对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影响的研究针对栅电极,我们分别研究了不同栅金属厚度、栅金属种类、浮栅结构以及分裂栅结构对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能以及极化库仑场散射的影响,对于栅金属厚度的研究,我们制作了三种不同厚度的Ni/Au肖特基栅器件,厚度分别为50nm/50nm、50nm/150nm以及50nm/300nm,研究发现栅金属厚度对于势垒层应变影响很微弱,对极化库仑场散射的影响也很小。对于栅金属种类的研究,我们制作了6种相同厚度的栅金属,分别为Al/Au、Au、Cu/Au、 Pt/Au、Ni/Au以及Fe/Au,研究发现,栅金属种类对势垒层应变影响很大,对极化库仑场散射的影响也非常显著。对于Al这种可以在常温下直接和势垒层进行化学反应的金属来说,化学反应会导致AlGaN势垒层变薄,使得器件栅下2DEG面密度降低,同时,这种反应还会在界面处生成一些蓬松的物质,使得栅金属与2DEG沟道之间的距离拉大,从而导致栅电极对于2DEG的控制能力减弱,使得与其它栅金属器件相比,器件阈值电压向负值方向漂移明显。对于那些不与势垒层发生化学反应的金属来说,栅金属与势垒层之间存在着物理相互作用,极化库仑场散射强度与栅金属的杨氏模量成反比例关系。对于浮栅结构,我们设计了无浮栅、单边浮栅以及双边浮栅结构,研究发现加浮栅器件极化库仑场散射比无浮栅器件要强一些,并且浮栅个数越多,距离中央栅越近,极化库仑场散射也越强。对于分裂栅结构,我们设计了栅面积一致,不同栅指数的器件,研究发现,随着栅指数的增加,极化库仑场散射也在不断增强,极化库仑场散射强度的变化主要是由于栅结构不同所引起的器件沿沟道极化电荷不均匀分布区域数目的变化引起的,极化电荷不均匀分布主要与不同栅结构所引起的势垒层应变分布的变化有关。4、AlN/GaN材料盖帽层结构及器件边欧姆接触工艺的研究GaN是目前报道最多的应用于GaN基异质结的盖帽层材料,GaN盖帽层的研究对于AlN/GaN异质结材料特性的优化非常有意义,其厚度直接影响着材料的2DEG面密度以及电子迁移率,通过对3种不同盖帽层厚度的AlN/GaN异质结材料的研究,主要包括变温霍尔测试、原子力显微镜(AFM)表面形貌分析以及材料各散射机制的数值拟合,我们研究发现：很薄的GaN盖帽层并不能起到有效保护AlN势垒层的目的,但是,一味地增加GaN盖帽层厚度,却也会带来诸如位错密度以及界面粗糙度增大的问题,对材料性能产生一系列不利影响,对于势垒层为3 nm的AlN/GaN异质结材料而言,GaN盖帽层的最优厚度应该在4 nm左右,最后我们还发现,3 nm应变AlN势垒层的α-轴晶格常数小于GaN层的晶格常数。另外,通过对边欧姆接触AlN/GaN HFETs器件的电学性能测试,我们分析了边欧姆接触工艺对AlN/GaN HFETs器件中极化库仑场散射的影响,发现边欧姆接触工艺可以大大减弱AlN/GaN HFETs器件中的极化库仑场散射,这主要是由于边欧姆接触金属与AlN势垒层的重合面积不仅比常规欧姆接触要小一个数量级,其退火温度也要比常规欧姆接触低150℃左右,因此,在快速热退火过程中,会有相对较少的金属原子扩散进入到AlN势垒层。此外,我们还比较了AlN/GaN与AlGaN/AlN/GaN以及In0.17Al0.83N/AlN/GaN HFETs器件的2DEG电子迁移率曲线,发现,同样是边欧姆接触的情况下,AlN/GaN HFETs器件中的极化库仑场散射要比其它两种器件的更强,这主要是由于AlN/GaN异质结与其它材料相比,拥有更薄的势垒层以及更强的极化效应所引起的。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN386
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论
    §1-1 GaN基电子器件研究背景及意义
    §1-2 GaN基半导体材料及器件的发展
        1-2-1 GaN基半导体材料的发展历史
        1-2-2 国内外GaN器件的发展历程
    §1-3 极化效应
    §1-4 本论文的研究内容及安排
    参考文献
第二章 器件制备与测试
    §2-1 GaN基异质结材料外延生长工艺
        2-1-1 衬底材料
        2-1-2 异质结的外延生长技术
    §2-2 GaN基异质结场效应晶体管器件工艺
        2-2-1 图形曝光与光刻工艺
        2-2-2 器件隔离工艺
        2-2-3 钝化工艺
        2-2-4 欧姆接触工艺
        2-2-5 肖特基接触工艺
    §2-3 GaN基异质结材料与器件的测试
        2-3-1 霍尔测试
        2-3-2 电学特性测试
        2-3-3 电子能谱测试(SEM-EDS)
        2-3-4 原子力显微镜(AFM)
        2-3-5 微区拉曼光谱测试(Micro-Raman)
    参考文献
第三章 确定GaN基异质结场效应晶体管栅下势垒层应变方法的研究
    §3-1 一种确定GaN基HFETs器件栅下势垒层应变的方法
        3-1-1 确定AlGaN/GaN HFETs器件栅下势垒层应变的方法
        3-1-2 确定AlGaN/AlN/GaN HFETs器件栅下势垒层应变的方法
    §3-2 常规欧姆接触AlGaN/AlN/GaN HFETs器件栅下势垒层应变
    §3-3 边欧姆接触AlGaN/AlN/GaN HFETs器件栅下势垒层应变
    参考文献
第四章 栅极快速热退火对AlGaN/AlN/GaN异质结场效应晶体管器件性能影响的研究
    §4-1 Ti/Al/Ni/Au栅金属快速热退火对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能的影响
    §4-2 Ni/Au栅金属快速热退火对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能的影响
    参考文献
第五章 栅金属及栅结构对AlGaN/AlN/GaN异质结场效应晶体管器件性能影响的研究
    §5-1 栅金属厚度对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能及应变的影响
    §5-2 不同栅金属对AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能及应变的影响
    §5-3 浮栅对于AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能及应变的影响
    §5-4 分裂栅对于AlGaN/AlN/GaN HFETs器件电学性能及应变的影响
    参考文献
第六章 AlN/GaN材料盖帽层结构及器件边欧姆接触工艺的研究
    §6-1 GaN盖帽层厚度对AlN/GaN异质结材料性能的影响
    §6-2 边欧姆接触工艺对于AlN/GaN HFETs器件中极化库仑场散射的影响
    参考文献
第七章 结论
致谢
攻读博±学位期间的研究成果
Paper 1
Paper 2
学位论文评河及答辩情况表

【参考文献】

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本文编号：2848797