使用LiNbO3作为栅介质层的高电子迁移率晶体管研制

摘要

随着电子信息产业的发展和世界范围内对环境问题、能源问题的关注,电子信息系统需要器件能以更低的能耗、更小的体积、更快的速度运行,导致了电子元器件的发展趋势是集成化、微型化。在电子元器件中,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)是近来研究的热点,在数字电路等领域,需要设计增强型AlGaN/GaN HEMT,本文使用 LiNbO3(LN)铁电薄膜作为栅介质层实现LN/AlGaN/GaN结构的增强型 HEMT。HEMT在单片集成电路和高速数字集成电路领域中非常有竞争力,其同时具有优异的功率性能和低噪声性能,而AlGaN/GaN异质结是目前为止HEMT器件中最重要的材料体系。与Si基及GaAs基器件相比, AlGaN/GaN HEMT的输出功率可以提高一个量级。在高频开关、数字电路领域,增强型HEMT可以降低电路的成本和复杂性,提高电路的安全性,简化电路结构。LN是一种具有优良表面声波性质的铁电材料,其自发极化可以对 AlGaN/GaN半导体异质结中的2DEG进行消耗,以实现增强型HEMT。LN非常适合与GaN类半导体集成,一是LN具有与GaN类半导体相似的晶格结构;二是LN晶体具有很大的自发极化强度,达到70-80μC/cm2;三是LN晶体仅具有180°电畴结构,是一维铁电体材料,仅在c轴方向上具有铁电极化,有利于增强LN对AlGaN/GaN半导体异质结中载流子的消耗作用。本文对GaN基片上LN薄膜的生长工艺进行了探索,并设计了HEMT器件结构,使用掩膜层刻蚀栅极图形制作器件,成功实现了增强型LN/AlGaN/GaN HEMT。
　　1.探索出了使用脉冲激光沉积(PLD)生长LN薄膜的优化工艺参数,调整了实验中的脉冲激光能量,脉冲激光频率,生长温度,氧气压和薄膜厚度等工艺参数,得到了结晶质量良好、在GaN基片上外延生长的LN薄膜,LN薄膜与GaN的外延关系为[10-10]LN//[1-2-10]GaN,[1-100]LN//[11-20]GaN。各项测试显示LN/GaN集成薄膜具有良好的质量。
　　2.分析HEMT器件各结构隔离效果之后,使用隔离效果良好且工艺复杂度适中的环形栅作为栅极结构。
　　3.使用电子束蒸发生长出了源漏欧姆电极,电极使用四层金属结构:Ti(20nm)/Al(50nm)/Ti(40nm)/Au(100nm),之后对基片进行快速退火处理,N2气氛中850℃退火30s。
　　4.为了解决光刻胶无法刻蚀 LN薄膜的问题,设计使用掩膜层图形化栅极区域。使用MgO材料作为刻蚀栅极图形的掩膜层。实验中为了便于刻蚀MgO掩膜,使用了双层光刻胶工艺制作出了1.2μm厚的正性光刻胶,并探索出了 PLD生长MgO薄膜的优化工艺条件:气压2Pa,脉冲激光能量100mJ,脉冲激光频率2Hz,生长时间3h,薄膜厚度400nm。
　　5.制作出了LN/AlGaN/GaN HEMT器件,器件结构良好,图形完整,阀值电压(Vth)为+1.3V,成功实现了增强型器件,源漏电流(Id)峰值为30mA/mm,跨导(Gm)峰值为80mS/mm。

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第一章 绪 论

1.1第三代半导体GaN

1.2 AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管

1.3 铁电材料LiNbO3

1.4 铁电/半导体集成结构

1.5 论文选题方案及结构安排

第二章 实验方法

2.1 LN薄膜的制备方法

2.2 X射线衍射仪(XRD)

2.3 原子力显微镜(AFM)

2.4 电学性能表征原理

2.5 光刻工艺及基本流程

第三章 GaN衬底上LN薄膜的生长研究与性能测试

3.1 LN薄膜最佳生长工艺参数的探索

3.2 LN薄膜性能测试

3.3 本章小结

第四章 HEMT制作流程与电学性能测试

4.1 HEMT制作流程

4.2 HEMT电学性能测试

4.3 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果