GaN基场效应晶体管的器件隔离技术研究

摘要

氮化镓(GaN)半导体具备宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿电场及通过异质结结构形成高电子密度的二维电子气(2DEG)等材料特性，在电力电子器件应用，特别是高温、高频器件领域具有独特的优势。AlGaN/GaN异质结场效应晶体管(HFET)和GaN金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是GaN基场效应晶体管(FET)中的典型代表，可应用于无线通信、军事雷达等微波功率器件及汽车逆变器等耐压功率器件。器件隔离是制作GaN基FET的关键工艺之一，通常采用干法刻蚀形成台面结构来实现隔离。然而，刻蚀损伤会增大台面隔离区域的表面漏电流，导致AlGaN/GaN HFET器件的关断电流和功耗增大，严重影响器件性能;而矩形GaN MOSFET采用台面结构则无法实现器件的场隔离，因为隔离区域中存在着寄生MOSFET，导致有效沟道宽度变大、迁移率远高于实际值。因此，研究适于AlGaN/GaN HFET的器件隔离工艺和GaNMOSFET的场隔离工艺、评价工艺的隔离效果是GaN基FET研究中必须解决的问题。
　　本论文以AlGaN/GaN HFET和GaN MOSFET的基本工艺与测试为基础，研究了隔离效果的评价技术;探索了多种GaN基FET的隔离工艺;开发了适于AlGaN/GaN HFET的O2等离子体处理台面隔离工艺，并对其氧化效果和机理进行了分析;开发并改进了B离子注入隔离工艺，实现了GaN MOSFET的极低关断电流和场隔离，并评价了不同隔离结构对器件性能的影响。本文的研究内容及结论如下:
　　(1)AlGaN/GaN HFET和GaN MOSFET的基本工艺、测试和隔离效果评价研究。矩形AlGaN/GaN HFET以AlGaN/GaN异质结和2DEG为结构特点，基本制造工艺为基础，通过电流-电压(I-V)测试评价器件性能。长沟道环形和矩形GaN MOSFET采用凹槽栅结构，借助I-V和电容-电压（C-V)测试评价器件性能，还进行了BCl3刻蚀气体制作的GaN MOSFET的实现和评价。器件隔离效果评价技术包含三种:通过测试传输线模型(TLM)结构的方块电阻或I-V特性，可以估计出隔离区的电阻值;在隔离区域制作特殊环形MOSFET，可以判断隔离工艺能否形成寄生MOS沟道;通过对比同样工艺的环形和矩形MOSFET的转移特性，能够评价隔离工艺的有效性。该研究解决了无法判断隔离工艺消除寄生沟道效果的问题，为确认工艺的有效性提供了可靠的评价方法。
　　(2)多种GaN基FET隔离工艺的探索研究。以氧化台面表面的刻蚀损伤为目标，借助干法刻蚀设备尝试了Cl2/O2混合气体及O2的电感耦合等离子体(ICP)处理等工艺。TLM结构的I-V测试表明，ICP的Cl2/O2混合气体及O2等离子体处理配合NaOH处理和硝氟酸清洗，能消除刻蚀损伤，使隔离电流降低到10-10A，但是Cl2等离子体会造成表面二次刻蚀损伤，而O2等离子体密度较低，刻蚀损伤层未被完全氧化。以实现MOSFET隔离区域的高电阻为目标，尝试了BCl3气源刻蚀台面结构、Ni金属扩散及逆溅射处理等工艺。在隔离区域制作的特殊环形MOSFET的I-V特性表明，BCl3刻蚀台面隔离无法消除寄生MOS沟道，Ni金属扩散隔离能够消除寄生MOS沟道但也会降低输出电流和迁移率，而逆溅射处理的台面区域电阻相对最高，但仍然无法完全消除寄生MOS沟道。以上这些探索研究为隔离工艺改进提供了方向和基础。
　　(3)AlGaN/GaN HFET的O2等离子体处理工艺的隔离效果及氧化机理研究。针对AlGaN/GaN HFET，开发了O2等离子体处理台面隔离区域的工艺，利用TLM结构的I-V测试确立了最合适的处理条件，利用光致发光(PL)光谱和X射线光电子能谱(XPS)测试分析了该工艺对台面刻蚀表面的氧化效果和机理，制作并评价了采用该隔离工艺的AlGaN/GaN HFET。TLM结构的I-V测试表明，隔离电流的降低主要依赖于处理温度和刻蚀损伤的深度，300℃处理为最适合的条件，能够使隔离电流减小四个数量级至10-11A，有效地抑制光响应且增大隔离区域的击穿电压。PL光谱分析表明，黄光带相关缺陷的密度明显降低，但也生成了蓝光带相关的氧替代氮位(ON)缺陷;XPS分析表明，O2等离子体处理比O2气体处理生成更多的Ga2O3。AlGaN/GaN HFET的I-V特性表明，采用该隔离工艺的器件导通/关断电流比高达1.73×107。该研究解决了AlGaN/GaN HFET的台面隔离效果差的问题，揭示了该工艺会引入ON缺陷，为进一步探索更有效的GaN刻蚀损伤消除工艺奠定基础。
　　(4)GaN MOSFET的B离子注入的隔离效果及工艺改进的研究。针对GaN MOSFET，开发了B离子注入场隔离工艺，结合台面刻蚀工艺制作了不同隔离结构，利用隔离区域制作的特殊MOSFET的I-V特性确认了该工艺消除寄生MOS沟道的结果，利用环形及矩形器件的I-V特性对比评价了该工艺的场隔离效果，并评价了不同隔离结构对器件性能的影响。通过工艺改进，将B离子注入调整到高温欧姆退火和栅氧热处理工艺之后，获得了高电阻的注入区域。I-V特性表明，在隔离区域制作的环形MOSFET表现出极低的漏极电流约6.5×10-12 A，说明该工艺能够消除隔离区的寄生MOS沟道。环形和矩形器件的I-V特性对比说明，该工艺能够将矩形器件的关断电流从台面隔离的3.2×10-9A降低到5.5×10-11 A，这一值仅比环形器件的6.6×10-12 A高一个数量级，实现了MOSFET的场隔离。低场迁移率计算结果表明，B离子注入不会使迁移率退化。同时具有台面和注入隔离结构的矩形器件，与只有注入隔离结构的器件相比，其亚阈值摆幅相对较低。该研究解决了矩形GaN MOSFET场隔离无效的问题，指出了有利于减小亚阈值摆幅的隔离结构，为进一步改善GaN MOSFET性能奠定基础。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 GaN器件隔离的研究动态

1．3 研究思想及研究内容

2 GaN基FET器件的基本工艺、测试和隔离评价技术

2．1 引言

2．2 AlGaN／GaN HFET器件

2．2．1 极化效应和2DEG

2．2．2 AlGaN／GaN HFET的结构

2．2．3 AlGaN／GaN HFET的基本工艺

2．2．4 AlGaN／GaN HFET的测试

2．3 GaN MOSFET器件

2．3．1 GaN MOSFET的结构

2．3．2 GaN MOSFET的基本工艺

2．3．3 GaN MOSFET的测试

2．3．4 使用BCl3刻蚀气体制作的GaN MOSFET

2．4 器件隔离效果的评价技术

2．4．1 TLM结构和测试

2．4．2 MOSFET结构和测试

2．5 本章小结

3 GaN基FET器件的隔离工艺探索

3．1 引言

3．2 AlGaN／GaN HFET的隔离工艺

3．2．1 Cl2／O2等离子体处理

3．2．2 干法刻蚀O2等离子体处理

3．3 GaN MOSFET的隔离工艺

3．3．1 BCl3干法刻蚀台面隔离

3．3．2 Ni扩散隔离

3．3．3 逆溅射处理

3．4 本章小结

4 O2等离子体处理的AlGaN／GaN HFET器件隔离的研究

4．1 引言

4．2 O2等离子体处理工艺

4．2．1 O2等离子体处理的工艺流程

4．2．2 O2等离子体处理条件的确立

4．2．3 干法刻蚀工艺的影响

4．2．4 隔离区域的击穿特性

4．2．5 O2等离子体处理对欧姆接触的影响

4．3 O2等离子体处理GaN表面的分析

4．3．1 缺陷能级的PL光谱分析

4．3．2 表面组分的XPS分析

4．4 O2等离子体处理的AlGaN／GaN HFET器件

4．4．1 O2等离子体处理的AlGaN／GaN HFET的制作流程

4．4．2 O2等离子体处理的AlGaN／GaN HFET器件性能

4．5 本章小结

5 B离子注入的GaN MOSFET场隔离研究

5．1 引言

5．2 离子注入分布模拟

5．3 B离子注入隔离的GaN MOSFET

5．3．1 GaN MOSFET的制作流程

5．3．2 离子注入区域的电学特性

5．3．3 GaN MOSFET的隔离效果评价

5．4 退火与B离子注入工艺改进的GaN MOSFET

5．4．1 工艺改进的GaN MOSFET的制作流程

5．4．2 离子注入区域的击穿特性

5．4．3 工艺改进的GaN MOSFET的隔离效果评价

5．4．4 隔离结构对器件性能的影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介