基于GaN MOS器件的注入和氧化工艺研究

摘要

作为第三代半导体材料，GaN由于其优良的物理和化学性质，被广泛应用于高频高功率电子器件及光电发光器件等领域。而GaN基MOS结构器件，不仅克服了传统GaN HEMT器件栅泄漏电流过大的缺点，且具有更低的功耗和更大的电压摆幅，因而成为目前研究的热点。然而，由于GaN工艺的不成熟，欧姆接触电阻高、栅介质层界面态密度大等问题一直是制约GaN MOS器件性能提高的难题。因此，本文的工作重点，是对GaN MOSFET器件制作中的源漏区离子注入重掺杂和栅介质层高温热生长工艺进行研究。主要研究内容为：
　　1．对n+AlGaN/n-AlGaN/SL/AlN/Sapphire等GaN多层膜结构的椭偏测试(SE)进行研究，分析椭偏测试方法在GaN材料测试中的准确性。研究表明，椭偏测试结果准确，可用于本文GaN离子注入和热氧化工艺所得样品的椭偏测试分析。
　　2．对可用于源漏区重掺杂的Si离子注入GaN工艺和注入后快速热退火(RTA)工艺进行了研究，并利用X射线衍射(XRD)、SE、霍尔和光致发光(PL)等测试对退火前后GaN样品的损伤恢复、电学和光学等特性进行了分析。研究表明，100KeV注入射程90nm，晶格损伤随注入剂量的增大而增大，RTA下可被有效但不能完全消除。1100℃ RTA，1016cm?2注入剂量下可得最高载流子面密度为2×1015cm-2的n型GaN，其方块电阻低至100Ω/square，这为今后器件实际制作奠定了实验基础。
　　3．对可用于GaN栅介质层的Ga2O3材料的干氧氧化生长工艺进行了研究，氧化温度选为900℃，氧化时间为15min-4h。SE测试表明氧化平均速率约为25nm/h，氧化物折射率为1.8-2.1，与先前所得Ga2O3折射率相一致。X射线光电子谱(XPS)分析亦表明生成氧化物为Ga2O3，其表面 Ga/O率约为1.2，这与表面大量氧空位有关；氧化稳定性和重复性较好，对比实验表明更彻底的清洗和更大的氧气流量可明显降低表面C沾污。然而，所得Ga2O3/GaN结构的电学特性和界面态密度等尚未能得到很好的分析，这是本文的不足，也是以后研究的重点。
　　综上所述，本文旨在对GaN MOS器件制作中的源漏区离子注入和栅介质层氧化生长等关键工艺进行分立研究，且研究重点在于利用多种测试手段对所得样品的电学、光学等特性进行表征，实际的器件制作还需今后近一步的研究。

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第一章 引言

1.1 GaN MOS结构器件优势和国内外研究现状

1.2 论文主要研究意义

1.3 论文主要研究内容

第二章 GaN MOSFET器件工艺概述及器件表征

2.1 GaN MOSFET器件工艺概述

2.2 GaN MOSFET器件特性表征

第三章 GaN多层膜结构椭偏测试准确性研究

3.1 椭偏测试理论概述

3.2 GaN多层膜结构椭偏测试研究

3.3 椭偏测试准确性分析及结论

第四章 GaN离子注入工艺研究

4.1 离子注入工艺概况

4.2 n型GaN离子注入工艺研究现状

4.3 GaN离子注入工艺条件

4.4 GaN离子注入及退火后样品特性分析

4.5 结论

第五章 GaN高温干氧氧化工艺研究

5.1 GaN氧化

5.2 GaN干氧氧化工艺条件

5.3 Ga2O3薄膜特性分析

5.4 总结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果