氮化镓基HFET低温欧姆接触和阈值电压研究

摘要

GaN基异质结（即AlGaN/GaN）因为其优秀的材料特性，引来了国内外学者的广泛研究。AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)正是利用该材料的这些优势发展起来的大功率，高频率电子器件。采用自对准结构的HFET能缩小器件栅与源，漏之间的串联距离，降低串联电阻，提升器件性能。但是，自对准结构的先栅特性需要栅电极经受欧姆接触退火过程，850℃的退火温度会损害栅电极的肖特基特性。为此，退火温度低于600℃的低温欧姆接触工艺被提了出来，但其接触电阻率大，需要优化。本文对该工艺的退火条件进行改进，降低了欧姆接触的接触电阻率。通过测试应用该工艺的先栅AlGaN/GaN HFET验证了该工艺的实用性。此外，为了降低器件功耗和保证失效安全，发展增强型AlGaN/GaN HFET也是现在的热点之一。本文利用AlGaN层减薄的方法对AlGaN/GaN HFET的阈值电压进行了改进，实现了接近0V的阈值电压。同时也对AlGaN层减薄造成器件的关态漏电流增加的问题进行了分析。
　　首先，低温欧姆接触是利用ICP处理欧姆接触区域引入N空位并辅以低温退火来实现欧姆接触。在本组已经优化了ICP刻蚀的相关条件后，通过对不同退火温度和不同退火时间进行优化，发现进行1min的575℃退火后，接触电阻率仅为0.52Ωmm。此数值与传统工艺相比拟，但退火温度从850℃下降到了575℃。同时，该欧姆接触相关的温度稳定性以及表面形貌的问题，本文也进行了分析。
　　其次，本文介绍了自对准和先栅结构，指出应用这些结构需要低温欧姆接触和耐高温的栅电极。通过对比TiN肖特基二极管在不同退火处理后的I-V曲线，确认了TiN可作为耐高温材料替代Ni/Au用作栅电极。并且，本文通过对比应用低温欧姆接触工艺和传统Ti/Al/Ti/Au欧姆接触的先栅AlGaN/GaN HFET的电学特性，确认了低温欧姆接触工艺的HFET的栅电流相对于传统工艺的HFET从10-4A下降到了10-7A。综合以上的结果，成功解决了自对准和先栅结构的栅肖特基特性退火受损问题。
　　最后，为了实现增强型的AlGaN/GaN HFET，本文通过AlGaN层减薄的方法对HFET的阈值电压进行了调整。在AlGaN层刻蚀到仅8nm的情况下，阈值电压为-0.04V，已接近实现增强型。同时，本文通过对比不同刻蚀条件下HFET器件的Id-Vg，Ig-Vg曲线特性，发现了刻蚀会增加器件的关态漏电流，并对该现象的形成原因做出了一些分析。
　　本论文的研究内容对于改善AlGaN/GaN HFET的制作工艺有可参考的地方，所用的工艺方案也较为常用，具有一定的实用性。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1 GaN材料的优势及应用背景

1．2 AlGaN／GaN HFET国内外研究进展

1．3 AlGaN／GaN HFET所面临的问题

1．4 论文的主要研究内容

2 工艺设备及欧姆接触相关概念介绍

2．1 AlGaN／GaN HFET的制作工艺设备及相关用途

2．1．1 半导体工艺方案及目的

2．1．2 工艺制作所用设备

2．2 AlGaN／GaN HFET的评估项目与手段

2．2．1 基本测试项目及目的

2．2．2 测试所用设备

2．2．3 TLM测试介绍

2．3 欧姆接触的概念及传统欧姆接触工艺

2．3．1 欧姆接触的概念

2．3．2 AlGaN／GaN异质结上的传统欧姆接触介绍

2．4 低温欧姆接触工艺介绍

2．4．1 ICP刻蚀技术的采用

2．4．2 低温欧姆接触工艺的制作过程

2．4．3 低温欧姆接触的结果

3 低温欧姆接触工艺的退火条件的研究

3．1 低温欧姆接触退火条件研究的实验步骤

3．1．1 低温欧姆接触退火条件研究所使用衬底结构

3．1．2 实验样品制作步骤

3．2 低温欧姆接触退火条件研究的测试结果

3．2．1 退火温度对于欧姆接触特性的影响

3．2．2 退火时间对于欧姆接触特性的影响

3．2．3 低温欧姆接触的温度稳定性及高温对刻蚀后衬底的影响

3．3 低温欧姆接触的形貌改善

3．4 本草总结

4 先栅AlGaN/GaN HFET的制作与评价

4．1 自对准结构与先栅结构的AlGaN/GaN HFET介绍

4．1．1 AlGaN／GaN HFET的串联电阻问题

4．1．2 自对准AlGaN／GaN HFET介绍

4．1．3 先栅AlGaN／GaN HFET介绍

4．2 TiN栅电极的采用

4．2．1 TiN材料用作栅电极的背景

4．2．2 TiN肖特基二极管结构的制备

4．2．3 TiN肖特基二极管的耐高温特性测试

4．3 先栅AlGaN／GaN HFET的制作工艺流程

4．3．1 衬底的表面清洗

4．3．2 台面隔离

4．3．3 栅电极的制作

4．3．4 源漏电极的制作

4．3．5 先栅AlGaN／GaN HFET制作流程总结

4．4 先栅AlGaN／GaN HFET的电学测试

4．4．1 欧姆接触性能测试

4．4．2 肖特基漏电性能测试

4．4．3 输出特性与转移特性测试

4．5 本章总结

5 ICP刻蚀对AlGaN／GaN HFET阈值电压的影响的研究

5．1 AlGaN／GaN HFET的阈值电压定义及计算公式

5．2 刻蚀AlGaN层增强型AlGaN／GaN HFET的工艺步骤

5．2．1 刻蚀AlGaN改变AlGaN/GaN HFET阈值电压的原理

5．2．2 不同刻蚀时间下AlGaN／GaN HFET的制作

5．3 器件性能测试与分析

5．3．1 阈值电压的变化情况分析

5．3．2 刻蚀改善阈值电压对AlGaN／GaN HFET的关态漏电流的影响

5．4 本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢