GaN-HEMT-Ydeng

GaN基HEMT器件研究调研Ydeng2014-9-10Contents•HEMT器件的引出；•GaN基材料的引出；•典型AlGaN/GaN制备工艺•典型AlGaN/GaN-HEMT器件制备工艺•GaN-HEMT研究现状和未来的研究方向HEMT器件的引出随着高频无线通讯产业的发展，同时满足特殊领域的发展，高速，高压，耐高温，耐腐蚀，高频等晶体管的需求呼声越来越大——从而使具有这些特性的器件高电子迁移率晶体管(HEMT)得到广泛研究和发展必须要减短信号传输的延迟时间τd和减小器件的开关能量，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速；HEMT简介HEMT，高电子迁移率晶体管是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。在通常的mos器件中，沟道区是对体掺杂而形成的，多数载流子与电离杂质共同存在。多数载流子受电离杂质散射，从而使载流子迁移率减小，器件性能降低。我们可以考虑将多数载流子从电离了的杂质中分离出来从而避免迁移率减小。如果三维固体中电子在某一个方向上的运动受到阻挡，被局限于一个很小的范围内,那么,电子就只能在另外两个方向上自由运动,这种具有两个自由度的电子就称为二维电子气（2-DEG）。当势阱较深时，电子基本上被限制在势阱宽度所决定的薄层内，即形成了（2-DEG）。特点：电子（或空穴）在平行于界面的平面内自由运动，而在垂直于界面的方向受到限制。2DEG简介设计HEMT时，需要考虑N型AlxGa1-xAs层的厚度和组分x的值。从减小串联电阻的角度来分析，这层的厚度是越小越好，但是最小厚度是由器件的工作模式来决定。对于耗尽型HEMT，通常该层35-60nm。提高AlxGa1-xAs的含量x，会使得该层禁带宽度增大，导致导带突变量△Ec增大，从而导致2-DEG浓度变大，但是当x太大时，该晶体缺陷增大，呈现雾状，从而使得表面质量下降，会给工艺带来困难。一般取x=0.3通过改变栅压可以改变势阱的深度和宽度，从而改变2-DEG的浓度，实现对HEMT漏极电流的控制。两种不同禁带宽度的半导体接触以后，由于费米能级不同而产生电荷的转移，直到将费米能级拉平。电子和空穴的转移形成空间电荷区，内建电场的作用使能带发生弯曲；因禁带宽度不同，而产生了尖峰未组成异质结前半导体能带图理想pN突变异质结的能带图1960年，安德森(Anderson)预言在异质结界面存在有电子的积累1969年，Easki和Tsu提出在禁带宽度不同的异质结结构中，离化的施主和自由电子是分离的。这减少了母体对电子的库仑作用，提高了电子迁移率。1978年，Dingle在调制掺杂的异质材料中观察到了载流子迁移率增高的现象。随后，在调制掺杂GaAs／n-AlGaAs单异质结结构的实验中，证明了异质界面存在着具有二维行为的电子气(2-DEG)，而且有高的迁移率．1980年,一种新调制掺杂GaAs/n—AlxGa1-xAs异质结构场效应管，即所谓高电子迁移率晶体管(HEMT)问世．GaN基材料的引出1.最大的电子饱和迁移率，因此高频，高速应用潜力巨大；2.达到禁带宽度，加上GaN又有极好的化学稳定性，允许在更高工作温度；3.有比其它材料高一个数量级的击穿电压，使得有高的多的栅，漏击穿电压，因此可以在更高的电压下工作；4.异质结导带不连续大约0.7eV，2DEG有约E13,因此有高的多的电流能力；GaN基HEMTSubstrateBufferlayerBarrierlayerchannellayerDopedAlGaNlayer大的禁带宽度（0.75-6.2eV）；强极化效应（GaAs的4-5倍）；高临界场强（2MV/cm）;高载流子饱和迁移率（2*E7cm/S）；高热导率（1.3W/cmK）;2010年：100-nm-Gate(Al,In)N/GaNHEMTsGrownonSiCWithFT=144GHz；衬底清洗：（H2SO4：H2PO4=3：1）中刻蚀约20min，去离子水冲洗，N2气吹干；衬底预热：800℃，暴漏在氨流中5-15min完成氨化；缓冲层AlN沉积：衬底温度800℃，铝源温度1070℃，氮源氨气的流量16SCCM；生长i-GaN：衬底温度降到700℃，镓源970℃，氨气流量35SCCM（5*E16cm-3）；生长隔离层AlGaN：衬底温度800℃，Ga源温度970℃，Al源温度1070℃，氨气9SCCM，它可以阻止施主层掺杂的硅原子扩散进入沟道界面，同时提供N-AlGaN的生长条件；生长N-AlGaN：硅源温度1230℃典型AlGaN/GaN制备工艺典型AlGaN/GaN-HEMT器件制备工艺1.制造源漏电极（利用光刻版图a），光刻欧姆接触窗口，利用电子束蒸发形成多层电极结构Ti/Al/Ti/Au(20/120/40/20nm)，剥离工艺形成源漏接触，RTA900℃，30Sec氩气保护下退火形成良好的欧姆接触。2.然后光刻出需要刻蚀掉的区域（利用光刻版图b），使用RIE设备，通入BCl3刻蚀台阶；3.最后再次利用光刻，电子束蒸发和剥离工艺形成（Ni/Al30/70nm）肖特基势垒金属（利用光刻版图c），形成栅长1um，栅宽50um热点：如何提高沟道内的2DEG的面电荷密度和解决电流崩塌问题GaN-HEMT研究现状和未来的研究方向降低欧姆接触电阻的方法主要是在欧姆接触处的半导体中重掺杂和对欧姆接触进行合金GaN器件商业化遇到的困难1.衬底问题。TEMMicrographshowingadistributionofdislocationsatgrainboundariesinGalliumNitridegrownonSapphireSEMimageofGaNfilmgrownat750°C;photoelectrochemicallyetchedtorevealthedislocations在通常的条件下，热力学稳定相是纤锌矿结构，而闪锌矿结构是亚稳态，只有在衬底上异质外延材料才是稳定的。六方结构生长于蓝宝石或者4H/6H-SiC上，立方结构的生长于面心立方结构的材料上，如GaAs。当前有关微波晶体管的研究都是使用六方结构的GaN材料，最常用的衬底是蓝宝石GaN的部分衬底材料特性不导电,不能制作电极,解理困难,晶格失配度大,热膨胀系数相差较大价格昂贵单晶尺寸太小(1)尽量采用同一系统的材料作为衬底;(2)晶格失配度越小越好;(3)材料的热膨胀系数相近;(4)用于微波器件时,最好选取微波介质性质良好的半绝缘材料;(5)材料的尺寸、价格等因素.Semicond.Sci.Technol.29(2014)075004LargeandcheapsiliconsubstrateswillbepresumablyusedforthesimplestGaN-basedelectronicdevices.ThoseonSiCsubstratesshoulddominatebecauseof6inchsizeandbetterperformanceascomparedwithdevicesonsilicon.However,bulkGaNsubstratesshouldbeusedfortop-qualitySchottkydiodesandHEMTs.GaN衬底的应用2.提高BreakdownVoltage等器件性能BV作为高压，高功率器件的重要参数主要受栅极为肖特基接触影响。GaAs表面的费米能级被高密度的表面态钉扎在禁带中央；GaN与金属的schottky接触是有其功函数决定的。GaN的电子亲和势为（4.2eV），通常Al（功函数4.2eV）与清洁的n-GaN的表面形成自然欧姆接触，而Au、Pt和Ni（功函数为5-5.5eV）在n-GaN上可以形成相对高的肖特基势垒（0.8-1.1eV）。本文采用Ni/Au(20/200nm)栅极电压变化怎么改变是肖特基势垒变化，arecessed-gateAl2O3/AlGaN/GaNnormally-OFFMOS-HEMTwithreducedOFF-stateleakagecurrents,lowercurrentcollapse,andhighblockingvoltagesachievedsimultanesouslyonan8in.Sisubstrate.AppliedPhysicsExpress7,041003(2014)通过增加钝化层提高BreakdownVoltage等器件性能BVimprovementbyusinganewSchottky-contacttechnologyIEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.60,NO.3,MARCH2013ThesmoothmorphologyandeliminationofmetalspikesintheschottkymetallizationSuppressionofsourcecarrierinjection通过轻微的刻蚀AlGaN层实现降低欧姆接触，提高输出功率Phys.StatusSolidiC9,No.2,369–372(2012)/DOI10.1002/pssc.201100279100-nm-Gate(Al,In)N/GaNHEMTsGrownonSiCWithFT=144GHzIEEEELECTRONDEVICELETTERS,VOL.31,NO.4,APRIL2010小结：1.解决电流崩塌问题方案加入钝化层（Si3N4，Al2O3，ZnO）；加入很薄的一层AlN；2.提高BV问题方案Schottky-contacttechnology;增加钝化层；3.增加2DEG方案N-AlGaN层专业电子；GaN沟道杂质的贡献，掺硅？极化效应诱生的来源；结合MEMS，Sensor方面的应用（交叉学科）：SensorsandActuatorsA172(2011)386–391MicroelectronicEngineering88(2011)2424–2426Sensor角度引入：2DEG的主要来源：a.从掺杂AlGaN层转移的电子；b.GaN沟道层杂质的贡献；c.有极化效应诱生的上述来源；外在的应力使极化电荷发生变化，进而改变2DEG的迁移率；也就是说通过HEMT器件的电导率的变化，可以判断外界压力基于一定MEMS结构。捷克斯洛伐克的T.Lalinsky压电测试角度ThedetectionsensitivityoftheC-HEMTstresssensorcanbeeasilytunedbydesignoftheSchottkyringgatearea.SensorsandActuatorsA172(2011)386–391MicroelectronicEngineering88(2011)2424–2426ZnO同是起到了器件的钝化作用，减小漏电流；实验和模拟都证明ZnO增强了其压电敏感性（60%）；钝化层材料对压电性能和器件的影响机理及规律；选择更合适的材料研究HEMT的Sensor应用；设计合适MEMS器件，对工艺和性能进行研究；其它；可有其它sensor模式，比如uvsensor等我们可能的工作点：ZnO拥有更高的压电系数PhysicalPropertiesofGaNEnvironmentallyfriendlycomparedtoArsenicHighmeltingpointBandgapEHPrecombination→blueorUVlightPhotonEmission为啥研究HEMT•因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd∝CL/(μnVm)和减小器件的开关能