荷電介質(zhì)對(duì)AlGaN-GaN MISHEMTs性能的影響研究.pdf

1、AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)因其良好的高頻大功率特性以及抗輻照性能而成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)因具有很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化,即使在零柵壓時(shí),異質(zhì)結(jié)界面處仍存在高濃度的二維電子氣(2DEG),這使得常規(guī)制作的AlGaN/GaN HEMT器件為常開(kāi)、耗盡型器件(閾值電壓為負(fù))。但是,在數(shù)字電路、高壓開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí),通常需要引入增強(qiáng)型 AlGaN/GaN HEMT器件(閾值電壓為正),以簡(jiǎn)化電路、

2、節(jié)約成本。此外,隨著航空航天領(lǐng)域?qū)Ω哳l大功率器件的需求日益強(qiáng)烈,AlGaN/GaN HEMT器件的抗輻照加固技術(shù)以及輻照衰退機(jī)制的研究,也成為了重要研究課題。針對(duì)這些問(wèn)題,本論文首先通過(guò)對(duì)金屬/絕緣層/AlGaN/GaN MISHEMT結(jié)構(gòu)的絕緣柵介質(zhì)層(Al2O3)進(jìn)行氟化處理,在柵區(qū)介質(zhì)表面引入負(fù)電荷,利用柵區(qū)荷電柵介質(zhì)(charged dielectrics)耗盡溝道中的2DEG,從而實(shí)現(xiàn)AlGaN/GaN MISHEMT增強(qiáng)型器

3、件,研制了基于F:Al2O3柵介質(zhì)的高閾值電壓增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件,實(shí)現(xiàn)了耗盡負(fù)載(E/D)反相器。主要研究結(jié)果如下:
　　1.探索了一種利用荷電柵介質(zhì)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT的方法。利用分子束外延(MBE)技術(shù)在AlGaN/GaN上生長(zhǎng)Al2O3柵介質(zhì)薄膜,并用深槽反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)設(shè)備對(duì)柵區(qū)Al2O3介質(zhì)表面進(jìn)行 CF4等離子體浸沒(méi)處理。系統(tǒng)研究了等離子激發(fā)功率、浸沒(méi)時(shí)間、快速

4、后退火等工藝參數(shù)對(duì)器件輸出電流密度、最大跨導(dǎo)、柵泄漏電流等直流特性的影響規(guī)律,在優(yōu)化的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了閾值電壓為+0.2 V的增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件。(第三章)
　　2.提出了一種通過(guò)引入阻擋氧化層來(lái)提高增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件的閾值電壓的方法。在荷電柵介質(zhì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件的基礎(chǔ)上,將阻擋氧化層(blocking oxide)技術(shù)引入到增強(qiáng)型AlG

5、aN/GaN MISHEMT器件的研制中,其具體工藝過(guò)程如下:在 CF4等離子體浸沒(méi)處理工藝實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件之后,再在柵區(qū)域下方生長(zhǎng)一定厚度的Al2O3阻擋氧化層,從而實(shí)現(xiàn)了閾值電壓為+2 V的增強(qiáng)型器件。雖然,通過(guò)增加CF4等離子體激發(fā)功率也能提高器件閾值電壓,但在相同閾值電壓的情況下,采用阻擋氧化層技術(shù)研制的增強(qiáng)型器件性能更好,為研制高閾值電壓增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件探索出了一種可行的技術(shù)方法,為拓展AlGaN/G

6、aN高電子遷移率晶體管在功率開(kāi)關(guān)器件領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。(第三章)
　　3.分析和闡明了該增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。采用X光電子能譜(XPS)技術(shù)對(duì)Al2O3柵介質(zhì)中氟離子的分布進(jìn)行了研究,研究結(jié)果顯示:氟離子主要聚集在Al2O3薄膜表面2~5 nm。通過(guò)測(cè)定AlGaN勢(shì)壘層表面價(jià)帶能譜,研究了CF4等離子體浸沒(méi)時(shí)間以及快速后退火對(duì)AlGaN勢(shì)壘層表面勢(shì)的影響。在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用電荷控制模

7、型對(duì)增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件的溝道界面能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度進(jìn)行了計(jì)算。經(jīng)氟化處理后,因氟離子對(duì)氧離子的部分取代,在Al2O3介質(zhì)中產(chǎn)生了大量負(fù)電荷,使柵介質(zhì)薄膜成為荷電介質(zhì),耗盡了 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG,從而實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型 AlGaN/GaN MISHEMT器件。(第四章)
　　4.研究考核了增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT和MISHEMT器件的60Coγ射線輻照效應(yīng)及性能衰退機(jī)理。通過(guò)研究

8、對(duì)比兩種器件在3 Mrad劑量的60Coγ射線輻照實(shí)驗(yàn)前后電學(xué)性能的變化,結(jié)果顯示:經(jīng)過(guò)3 Mrad60Coγ射線輻照后,引發(fā)了增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的衰退。而增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件經(jīng)過(guò)3 Mrad60Coγ射線輻照后,性能幾乎沒(méi)有影響,這表明增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件具有更加良好的抗60Coγ射線輻照能力。(第五章)
　　5.研究并分析了增強(qiáng)型AlGaN/GaN H

9、EMT和MISHEMT器件的高能電子輻照效應(yīng)及性能衰退機(jī)理。通過(guò)研究對(duì)比兩種器件在經(jīng)過(guò)1.8 MeV注入量為1.1×1016 e/cm2的電子輻照前后電學(xué)性能的變化,結(jié)果顯示:在1.8 MeV高能電子輻照下,增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT器件的輸出電流和最大跨導(dǎo)都略有增加,而同樣在1.8 MeV高能電子輻照下,增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件的性能幾乎沒(méi)有任何顯著變化,這表明:增強(qiáng)型AlGaN/GaN MISHEMT器件