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GaN基HEMT器件集成与输出特性研究

作　者: 唐建军
导　师: 熊继军；梁庭
学　校: 中北大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: GaN薄膜高电子迁移率晶体管温度灵敏度应力灵敏度
分类号: TN304.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

AlGaN/GaN异质结构材料体系是发展GaN基高温、高频、大功率微波电子器件最基本也是最重要的结构材料,深受国际上的关注。AlGaN/GaN异质结构材料体系具有很大的带阶差,很强的极化效应,即使不用任何掺杂,仅通过极化应力就可以在AIGaN/GaN异质界面的量子阱中产生高达1013/cm2的二维电子气(2DEG)密度。本论文通过采用微悬臂梁结构将宏观作用力引入AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)的沟道层,可以对2DEG的浓度进行调制,以此为基础制作力-电耦合的传感器件,并且对对AlGaN/GaN-HEMT器件的输出特性开展研究工作,从而有以下结果:1.采用MOCVD工艺在3英寸的Si(111)衬底上制备出无裂缝的六方纤锌矿结构GaN薄膜,对薄膜进行X-射线衍射图谱和拉曼光谱分析,确定GaN薄膜主要晶面为(0002)面,且Si材料中残余应力为530MPa,GaN薄膜中残余应力为250MPa;原子力显微镜观测到薄膜表面光滑,在2μm×2μm的范围内,粗糙度小于0.72nm。2.根据X射线双晶衍射实验测试结果,计算得到GaN薄膜中纯螺型位错密度为7×108cm-2 ,纯刃型位错密度2.9×109cm-2,混合位错密度为3.6×109cm-2,外延晶体质量接近在蓝宝石等六方匹配衬底上制备的水平;以Si为衬底制备的GaN薄膜力敏特性变化明显,测试结果达到93.5MPa/μm,线性度为0.16。3.设计了GaN/AlGaN-HEMT器件与微悬臂梁-质量块集成的微结构,对加工过程中的关键工艺进行了研究,使用控制孔工艺较精确的控制了质量块和悬臂梁厚度;基于相关工艺实验,完成了GaN/AlGaN-HEMT器件与微结构的试制,并且对加工出的微结构进行了拉曼应力测试表征,结果显示在悬臂梁根部的HEMT器件受到的应力最大,符合设计思路和仿真结果。4. GaN/AlGaN-HEMT器件的输出特性测试结果显示:HEMT器件在高低温测试中得到最大饱和电流的温度系数大约为0.058 mA/K;温度与器件输出饱和电流遵循I∝T-1 (200K<T<320K)的变化趋势;HEMT器件输出电流随张应力的增大而减小,对压应力的增大而增大。且对应力的灵敏度可以达到214.1 MPa/mA,线性度为0.11,0-250MPa区间电流的变化率可以达到61.29%。5.建立了GaN/AlGaN-HEMT器件的输出特性模型,计算得到温度影响因子△I△T=-0 .0545mA/℃和应力影响因子△I△σ=-0 .0074mA/MPa,总模型的建立对于消除应力与温度对HEMT器件输出特性带来的误差有很大的实际意义。综上所述,本论文完成了HEMT器件与悬臂梁-质量块微结构的集成设计与加工和HEMT器件输出特性的研究,分析了温度和应力对于HEMT器件输出特性的影响,建立了HEMT器件输出特性模型,对微结构的惯性测试的进一步研究还需要在GaN/ AlGaN-HEMT器件力敏特性与温敏特性上进行更深入的工作。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-17
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
  1.3 本论文的主要研究内容  15-17
2 Si(111)衬底外延制备六方 GaN 薄膜及表征  17-35
  2.1 GaN 薄膜制备  17-19
    2.1.1 GaN 材料特性  17
    2.1.2 Si 衬底选择  17-18
    2.1.3 Si 衬底上外延 GaN 面临的问题和解决方法  18
    2.1.4 利用MOCVD 工艺制备GaN 薄膜  18-19
  2.2 GaN 薄膜的分析与表征  19-23
    2.2.1 GaN 薄膜表面形貌观测分析  20
    2.2.2 样品横截面扫描电子显微镜(SEM)观测分析  20-21
    2.2.3 GaN 薄膜表面原子力显微镜(AFM)观测分析  21-22
    2.2.4 GaN 薄膜 X-射线衍射(XRD)测试分析  22-23
    2.2.5 GaN 薄膜 Raman 光谱测试分析  23
  2.3 GaN 晶体生长质量分析  23-28
    2.3.1 GaN 外延薄膜晶格参数的精确测量  24
    2.3.2 GaN 外延膜和 Si 衬底的应变计算  24-25
    2.3.3 GaN 外延膜晶体位错密度分析  25-28
  2.4 GaN 薄膜应力表征  28-34
    2.4.1 Raman 光谱频移理论基础  29-30
    2.4.2 应力表征测试与分析  30-34
  2.5 本章小结  34-35
3 Si 悬臂梁结构与 GaN/AlGaN-HEMT 器件集成设计与加工  35-53
  3.1 AlGaN/GaN HEMT 工作原理  35-37
  3.2 Si 悬臂梁结构与GaN/AlGaN-HEMT 器件集成的设计  37-49
    3.2.1 设计原则  37-43
      3.2.1.1 结构设计原则  37
      3.2.1.2 结构参数设定  37-38
      3.2.1.3 ANSYS 结构仿真分析  38-43
    3.2.2 AlGaN/GaN HEMT 器件集成设计与加工工艺设计  43-49
      3.2.2.1 集成设计原则设计  43-44
      3.2.2.2 Si 基微机械加工技术介绍  44-45
      3.2.2.3 HEMT 微加速度计关键工艺设计  45-49
  3.3 器件加工完成测试  49-52
    3.3.1 HEMT 基本输出特性测试  49-50
    3.3.2 微结构应力测试  50-52
  3.4 本章小结  52-53
4 Si 基 GaN/AlGaN-HEMT 器件温度特性与应力特性研究  53-71
  4.1 HEMT 器件温度特性研究  53-58
    4.1.1 HEMT 器件温度特性理论分析  53-55
    4.1.2 温度特性实验与结果分析  55-58
  4.2 HEMT 器件应力特性研究  58-70
    4.2.1 应力对GaN/AlGaN-HEMT 器件极化效应影响的理论分析  58-63
    4.2.2 实验结果分析  63-70
    4.2.3 研究前景  70
  4.3 本章小结  70-71
5 Si 基 GaN/AlGaN-HEMT 输出特性的模型研究  71-73
  5.1 Si 基 HEMT 器件输出特性模型建立  71-72
    5.1.1 温度特性因子  71-72
    5.1.2 应力特性因子  72
  5.2 总模型建立  72
  5.3 本章小结  72-73
6 总结  73-75
参考文献  75-81
攻读硕士学位期间发表的论文  81-82
致谢  82

GaN基HEMT器件集成与输出特性研究

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