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凹槽栅MOS-HEMTs器件的制备和特性分析

作　者: 潘才渊
导　师: 马晓华
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 材料学
关键词: AlGaN/GaN 凹槽栅 MOS-HEMTs 界面态氧等离子体预处理电流崩塌
分类号: TN386.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

GaN基HEMTs器件由于其优越的性能,在高频高温大功率微波器件中有着十分广阔的运用前景。然而GaN HEMTs器件存在高的栅泄漏和电流崩塌问题,MOS-HEMTs能够有效地减小栅漏电,但同时也引入界面问题和栅控能力减弱。本文通过引入凹槽栅结构来解决这问题,并在此基础上对GaN凹槽栅MOS-HEMTs器件进行了优化,改善了栅泄漏特性、MOS界面特性和电流崩塌特性,取得了理想的结果。本文首先利用Silvaco软件仿真凹槽栅结构的深度对常规HEMTs器件和MOS-HEMTs器件特性的影响。随着凹槽栅深度的增加,我们发现栅靠漏端边缘电场的强度有所增加,器件的阈值电压正漂。着重介绍了GaN凹槽栅MOS-HEMTs器件的制备和特性分析。凹槽栅结构能够有效地解决MOS栅介质结构带入的阈值电压负漂的影响,同时能够有效地减小MOS结构的界面态,并不会产生新的陷阱类型。GaN凹槽栅MOS-HEMTs器件的栅泄漏特性比常规HEMTs器件减小了三个量级,而器件的电流崩塌也得到了很好的抑制。我们发现凹槽栅结构的器件结构能够有效地提高MOS-HEMTs器件的功率特性。采用氧等离子体预处理减小由凹槽栅刻蚀产生的损伤,在栅下区域形成原位氧化层。经过预处理,提高了肖特基势垒高度和减小理想因子,能够有效地提高器件的关态特性、亚阈值特性和击穿特性。结合氧等离子体预处理、凹槽栅结构和AlGaN缓冲层结构制备了MOS-HEMTs器件,通过背势垒结构大大提高二维电子气的限域性,提高了器件的关态特性,有效地抑制热电子效应,并获得理想的功率特性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 AlGaN/GaN HEMT 研究进展  7-10
    1.1.1 氮化镓材料及AlGaN/GaN HEMTs 在微波功率器件的优势  7-8
    1.1.2 GaN HEMTs 器件发展与面临的问题  8-10
  1.2 AlGaN/GaN MOS-HEMTs  10-12
    1.2.1 AlGaN/GaN MOS-HEMTs 的研究背景  10-11
    1.2.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 本文研究内容与安排  12-15
第二章 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件设计与制备工艺  15-29
  2.1 基于Silvaco 仿真系统的器件设计技术  15-20
    2.1.1 Atlas 器件仿真及模型  15-16
    2.1.2 凹槽栅深度对GaN HEMTs 器件特性的影响  16-18
    2.1.3 凹槽栅深度对GaN MOS-HEMTs 器件特性的影响  18-20
  2.2 AlGaN/GaN 异质结材料中的极化效应和2DEG 的来源  20-22
  2.3 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的工艺流程  22-25
  2.4 栅介质材料及其生长工艺  25-27
    2.4.1 栅介质的选择和A1_20_3 的优缺点  25-26
    2.4.2 ALD 生长栅介质A1_20_3  26-27
    2.4.3 栅介质的质量评估  27
  2.5 本章小结  27-29
第三章凹槽栅结构MOS-HEMTs 器件性能分析  29-55
  3.1 器件工作机理  29-31
    3.1.1 器件的直流特性  29-30
    3.1.2 实验方案和测试方法  30-31
  3.2 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的直流特性分析  31-40
    3.2.1 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件CV 特性的分析  31-36
    3.2.2 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的直流特性  36-39
    3.2.3 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件击穿特性的分析  39-40
  3.3 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的电流崩塌特性  40-41
  3.4 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的频率特性  41-43
  3.5 凹槽栅MOS-HEMTs 器件的大信号特性测量  43-44
    3.5.1 Load-Pull 功率测量系统  43
    3.5.2 凹槽栅MOS-HEMTs 器件大信号特性分析  43-44
  3.6 AlGaN/GaN 凹槽栅MOS-HEMTs 的电学可靠性分析  44-53
    3.6.1 开态应力下器件的退化研究和机制分析  46-50
    3.6.2 关态应力下器件的退化研究和机制分析  50-53
  3.7 本章小结  53-55
第四章凹槽栅结构MOS-HEMTs 器件的优化  55-73
  4.1 等离子体预处理对材料界面和器件特性的提高  55-59
    4.1.1 AlGaN 势垒层的表面态  55-56
    4.1.2 表面预处理减小AlGaN 势垒层的表面态  56
    4.1.3 表面预处理对常规HEMT 结构电容的影响  56-57
    4.1.4 表面预处理对常规HEMT 肖特基特性的影响  57-58
    4.1.5 表面预处理对常规HEMT 器件直流特性的影响  58-59
  4.2 AlGaN 缓冲层凹槽栅MOS-HEMTs 器件的制备和性能分析  59-70
    4.2.1 器件直流特性分析  61-62
    4.2.2 器件电流崩塌特性分析  62-64
    4.2.3 器件频率特性分析  64-65
    4.2.4 器件的功率特性分析  65-66
    4.2.5 器件的电学应力可靠性研究  66-70
  4.3 本章小结  70-73
第五章结束语  73-75
致谢  75-77
参考文献  77-83
作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目  83-84

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