荷电介质对AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影响研究

摘要

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)因其良好的高频大功率特性以及抗辐照性能而成为国内外的研究热点。AlGaN/GaN异质结因具有很强的自发极化和压电极化,即使在零栅压时,异质结界面处仍存在高浓度的二维电子气(2DEG),这使得常规制作的AlGaN/GaN HEMT器件为常开、耗尽型器件(阈值电压为负)。但是,在数字电路、高压开关等领域的应用时,通常需要引入增强型 AlGaN/GaN HEMT器件(阈值电压为正),以简化电路、节约成本。此外,随着航空航天领域对高频大功率器件的需求日益强烈,AlGaN/GaN HEMT器件的抗辐照加固技术以及辐照衰退机制的研究,也成为了重要研究课题。针对这些问题,本论文首先通过对金属/绝缘层/AlGaN/GaN MISHEMT结构的绝缘栅介质层(Al2O3)进行氟化处理,在栅区介质表面引入负电荷,利用栅区荷电栅介质(charged dielectrics)耗尽沟道中的2DEG,从而实现AlGaN/GaN MISHEMT增强型器件,研制了基于F:Al2O3栅介质的高阈值电压增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件,实现了耗尽负载(E/D)反相器。主要研究结果如下:
　　1.探索了一种利用荷电栅介质实现增强型AlGaN/GaN MISHEMT的方法。利用分子束外延(MBE)技术在AlGaN/GaN上生长Al2O3栅介质薄膜,并用深槽反应离子刻蚀(DRIE)设备对栅区Al2O3介质表面进行 CF4等离子体浸没处理。系统研究了等离子激发功率、浸没时间、快速后退火等工艺参数对器件输出电流密度、最大跨导、栅泄漏电流等直流特性的影响规律,在优化的工艺参数基础上,实现了阈值电压为+0.2 V的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件。(第三章)
　　2.提出了一种通过引入阻挡氧化层来提高增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的阈值电压的方法。在荷电栅介质技术实现增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的基础上,将阻挡氧化层(blocking oxide)技术引入到增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的研制中,其具体工艺过程如下:在 CF4等离子体浸没处理工艺实现增强型器件之后,再在栅区域下方生长一定厚度的Al2O3阻挡氧化层,从而实现了阈值电压为+2 V的增强型器件。虽然,通过增加CF4等离子体激发功率也能提高器件阈值电压,但在相同阈值电压的情况下,采用阻挡氧化层技术研制的增强型器件性能更好,为研制高阈值电压增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件探索出了一种可行的技术方法,为拓展AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管在功率开关器件领域的应用打下了基础。(第三章)
　　3.分析和阐明了该增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的实现机理。采用X光电子能谱(XPS)技术对Al2O3栅介质中氟离子的分布进行了研究,研究结果显示:氟离子主要聚集在Al2O3薄膜表面2~5 nm。通过测定AlGaN势垒层表面价带能谱,研究了CF4等离子体浸没时间以及快速后退火对AlGaN势垒层表面势的影响。在实验研究基础上,进一步利用电荷控制模型对增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的沟道界面能带结构和载流子浓度进行了计算。经氟化处理后,因氟离子对氧离子的部分取代,在Al2O3介质中产生了大量负电荷,使栅介质薄膜成为荷电介质,耗尽了 AlGaN/GaN异质结界面处的2DEG,从而实现了增强型 AlGaN/GaN MISHEMT器件。(第四章)
　　4.研究考核了增强型AlGaN/GaN HEMT和MISHEMT器件的60Coγ射线辐照效应及性能衰退机理。通过研究对比两种器件在3 Mrad剂量的60Coγ射线辐照实验前后电学性能的变化,结果显示:经过3 Mrad60Coγ射线辐照后,引发了增强型AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的衰退。而增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件经过3 Mrad60Coγ射线辐照后,性能几乎没有影响,这表明增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件具有更加良好的抗60Coγ射线辐照能力。(第五章)
　　5.研究并分析了增强型AlGaN/GaN HEMT和MISHEMT器件的高能电子辐照效应及性能衰退机理。通过研究对比两种器件在经过1.8 MeV注入量为1.1×1016 e/cm2的电子辐照前后电学性能的变化,结果显示:在1.8 MeV高能电子辐照下,增强型AlGaN/GaN HEMT器件的输出电流和最大跨导都略有增加,而同样在1.8 MeV高能电子辐照下,增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的性能几乎没有任何显著变化,这表明:增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件在高能电子辐照环境中具有更好的稳定性。(第五章)
　　6.利用耗尽型和增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件研制了性能良好的E/D反相器。研究了E/D反相器的非门功能,研究结果显示:在输入电平为0V~3V时,输出电平为2.98 V~0.18 V,低噪声容限为0.34 V,高噪声容限为1.86 V,从而显示了本论文研制的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件在集成电路方面具有一定应用价值。(第六章)

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 GaN材料的结构和基本物性

1.3 AlGaN/GaN异质结的极化效应及二维电子气的形成

1.4 AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

1.5 实现增强型AlGaN/GaN HEMT的工艺

1.6 AlGaN/GaN异质结器件的辐照效应研究

1.7 选题依据及研究方案

第二章 AlGaN/GaN异质结器件制备工艺与测试

2.1 AlGaN/GaN异质结器件的制备工艺

2.2 栅介质薄膜结构表征

2.3 AlGaN/GaN异质结器件的电学性能测试

2.4 本章小结

第三章 F:Al2O3介质对于AlGaN/GaN MISHEMT性能影响研究

3.1 引言

3.2 Al2O3栅介质对于AlGaN/GaN MISHEMT特性的影响

3.3 F:Al2O3介质薄膜对于AlGaN/GaN MISHEMT特性的影响

3.4 增强型AlGaN/GaN HEMT与MISHEMT器件性能对比研究

3.5 高阈值电压的增强型AlGaN/GaN MISHEMT器件的研究

3.5 本章小结

第四章 基于F:Al2O3栅介质的增强型MISHEMT器件机理研究

4.1增强型MISHEMT实现机理实验分析

4.2 增强型AlGaN/GaN MISHEMT实现机理计算仿真分析

4.3 本章小结

第五章 基于F:Al2O3栅增强型MISHEMT器件的辐照效应研究

5.1 增强型AlGaN/GaN异质结器件的 60Coγ射线辐照效应

5.2 增强型AlGaN/GaN异质结器件的高能电子辐照研究

5.3 本章小结

第六章 基于F:Al2O3栅AlGaN/GaN MISHEMT构造E/D反相器

6.1 GaN基E/D反相器工作原理

6.2 GaN基E/D反相器温度直流特性研究

6.3 本章小结

第七章 结 论

7.1 主要结论

7.1 主要创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果