氟基等离子体处理对AlGaN/GaN HEMT的影响研究

摘要

近些年来,以GaN为代表的第三代半导体材料凭借其禁带宽度大、电子饱和速度高、导热性能好等优点,在高温、大功率、微波器件领域拥有很大发展潜力,其中,AlGaN/GaN HEMT在无线通信和雷达领域有着广阔的应用前景。氟等离子体处理被广泛用于GaN器件的栅槽刻蚀工艺以及制作增强型器件工艺中,因此对氟基等离子体处理AlGaN/GaN HEMT器件进行研究非常必要。本论文通过以下三个方面对氟等离子体处理的AlGaN/GaN HEMT进行探索与研究:
　　1、基于目前制作栅场板使用的氟等离子体栅槽刻蚀工艺,采用不同的氟等离子体处理时间在器件的栅下进行氟等离子体处理,研究了不同的氟等离子体处理时间对AlGaN/GaN HEMT的影响。本文主要对比了50W低刻蚀功率下三种氟等离子体处理时间的器件:分别是20s、100s和180s,研究发现三种器件的饱和电流和阈值电压变化不大;在击穿电压方面,50W,100s氟等离子体处理时间的器件击穿电压最高,比20s氟等离子体处理时间的器件提高75％,并且肖特基反向泄漏电流下降一个数量级;由于三种器件的氟等离子体处理功率较小,因此通过脉冲测试,三种器件的电流崩塌量相差不大,都在10%以内。
　　2、基于目前利用氟等离子体处理制作增强型器件的工艺中引入过多缺陷的问题,本文采用不同的氟等离子体处理功率在器件的栅下进行氟等离子体处理,研究了不同的氟等离子体处理功率对AlGaN/GaN HEMT的影响。首先从直流角度对比了不同的氟等离子体处理功率对器件特性的影响,研究发现随着处理功率的增强,器件的阈值电压正向移动幅度增加,饱和电流与跨导峰值下降明显,经过退火处理,器件的阈值电压、饱和电流与跨导峰值得到部分恢复,肖特基反向泄漏电流得到提高,证实了氟等离子体处理的器件特性在高温环境中存在不稳定性。之后通过CV特性分析,研究了不同氟等离子体处理功率下器件中所产生的缺陷与损伤,发现处理功率越高,缺陷浓度与损伤程度都会增大,退火可以修复大部分损伤。
　　3、为了提高器件的击穿电压,制作了一种轻掺杂漏的LDD HEMT。首先通过Silvaco仿真软件进行了二维电场仿真,得到栅极的漏侧边缘的峰值电场强度明显降低,由5×106V/cm减小到了3.5×106V/cm。通过流片实验并测试分析,与常规HEMT相比,LDD HEMT的饱和电流略有降低,阈值电压与跨导峰值变化不大;从泄漏电流的角度,LDD HEMT的栅极反向漏电流比常规HEMT减小了一个数量级,击穿电压由130V提高到了175V,提高幅度达到36%。最后进行了可靠性分析,通过脉冲测试显示,LDD HEMT的电流崩塌量大于50%。在栅漏间注入氟离子之后,器件AlGaN势垒层中的表面态增加是电流崩塌加重的主要原因。

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第一章 绪论

1.1 GaN概论

1.2 AlGaN/GaN HEMT概况

1.3本文的主要工作安排

第二章 AlGaN/GaN HEMT的制备工艺与Silvaco仿真简介

2.1 AlGaN/GaN HEMT的制备工艺

2.2氟等离子体对AlGaN/GaN HEMT的基本影响

2.3 Silvaco仿真软件简介

2.4 本章小结

第三章 不同氟等离子体处理时间对AlGaN/GaN HEMT的影响

3.1 过刻蚀工艺研究背景

3.2实验设计

3.3正常刻蚀完成器件的直流特性

3.4不同氟等离子体处理时间对器件特性的影响

3.5 本章小结

第四章 不同氟等离子体处理功率对AlGaN/GaN HEMT的影响

4.1 研究背景

4.2实验设计

4.3不同氟等离子体处理功率下器件的直流特性研究

4.4不同氟等离子体处理功率下器件中的陷阱分析

4.5 本章小结

第五章 氟等离子体处理的LDD HEMT特性研究

5.1 LDD HEMT仿真分析

5.2 LDD HEMT设计

5.3 LDD HEMT的直流特性研究

5.4 LDD HEMT的击穿特性研究

5.5 LDD HEMT的可靠性研究

5.6 本章小结

第六章 总结

致谢

参考文献

研究成果