刘艳的GaNMOSFET器件研究

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1、GaN基 MOSFET器件的研究 报告人：刘艳 2012年12月内容1.GaN材料2.MOSFET器件3.GaN MOSFET器件制作工艺介绍4.MOSFET器件参数5.GaN MOSFET器件研究现状及存在的问题材料SiGaAsSiCGaN禁带宽度 Eg(eV)1.121.423.253.4相对介电常数 r11.812.89.79热导率(W/cmK)1.50.54.92.3击穿电场(MV/cm)0.30.434电子迁移率 (cm2/Vs)1500850070010002000饱和漂移速度 vsat(107 cm/s)(峰值)1123最大工作温度 T()300300600700GaN材料 1.

2、GaN材料的基本特性 表 几种常见半导体材料的主要参数:三种晶体结构：立方闪锌矿3C型结构（相）、六角纤维锌矿2H型结构（相）和面心立方结构（NaCl结构）纤锌矿结构（六方相，a 相），闪锌矿结构（立方相，b相）和岩盐结构图1 纤锌矿GaN 各个不同方向的透视图2.纤锌矿GaN 图2 Ga面和N面GaN晶格结构图图3 闪锌矿结构 3.GaN材料的晶格常数AlGaN,InGaN,InAlN,GaNP三元化合物如AlxGa1-xAs的晶格常数一般可以表示为：a（x）=xa（AlAs）+（1-x）a（GaAs）一.MOSFET结构GSiO2BSDtox图4 MOSFET结构1)结构SGDB2)符号3

3、)基本参数沟道长度 L(跟工艺水平有关)沟道宽度 W栅氧化层厚度 tox MOSFET器件2.MOSFET分类耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在：场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在增强型增强型：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道：场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道场效应管的分类：场效应管的分类：P沟道沟道二.MOSFET器件涉及的物理机制图5 GaN n-MOSFET结构示意图PN结欧

4、姆接触肖特基接触MIS结构掺杂主要包括衬底层的生长；源漏区的掺杂；栅介质层的选取；器件隔离；欧姆接触和栅极肖特基接触等。(a)(b)N型半导体 P型半导体 1.P-N结结 图6 p-n结漂移，扩散2.肖肖特特基接触基接触图7 能带图3.欧姆欧姆接触接触3.1 隧道效应 3.2 小结 图8 能带图图9 金属跟n型半导体接触4.MIS结构结构图10 能带图1.GaN材料5.掺杂掺杂掺杂（掺杂（dopingdoping）：将一定数量和一定种类的杂质掺入材料中，并获得精确的杂质分布形状（doping profile）。掺杂应用：MOSFET中阱、栅、源/漏、沟道等；BJT中基极、发射极、集电极等B E

5、 Cppn+n-p+p+n+n+BJTNMOS图11基本概念：基本概念：结深 xj（Junction Depth）；薄层电阻 Rs（Sheet Resistance）；杂质固溶度（Solubility)目的：目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。方式：方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation）、合金、中子嬗变。图12晶片器件作用杂质硅双极型晶体管及其IC隐埋区Sb,As隔离区B,Al基区B,P发射区P,As,P-As,B电阻B:P开关管及高速IC 提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B:P,As砷化镓MIS IC，结型场效应晶

6、体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be:S,Si,Sn锗pnp管集电区、发射区In-Ga,Al掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低1013 atoms/cm3离子注入 在半导体领域，引入杂质的方法主要有：扩散、外延生长和离子注入。由于GaN稳定的化学性质使扩散需要较高的温度和较长的时间，所以扩散法掺杂不具有实用价值。外延生长掺杂，受材料的溶解性以及外延生长过程的选择性影响较大，且含量不易控制，灵活性较差。离子注入的基本过程v 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子v 在强电场中加速，获

7、得较高的动能后，射入材料表层（靶）v 以改变这种材料表层的物理或化学性质a)a)源源（SourceSource）：气体源，如 BF3，BCl3，PH3，AsH3 Ar，GeH4，O2，N2等。如用固体或液体做源材料，一般先加热，得到它们的蒸汽，再导入放电区。b)b)离子源离子源（Ion SourceIon Source）：）：灯丝（filament）发出的自由电子在电磁场作用下，获得足够的能量后撞击源分子或原子，使它们电离成离子，再经吸极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器.B，As，Ga，Ge，Sb，PGaN MOSFET器件制作工艺介绍1.主要工艺流程 GaN MOSFET器件的结构

8、如图13所示。器件设计在厚度为2m的p型GaN材料上，以Mg作为受主杂质（杂质非完全电离，Mg的电离能为170meV），浓度量级范围内，栅极氧化层厚度（选用SiO2作为栅介质）为10-100nm，栅长取值范围为0.8m-5m之间，n+漏源区的掺杂浓度，电极间距离Lgd=Lgs为0.5-3m。在模拟过程中，GaN的电子迁移率n设置。图13 GaN n-MOSFET结构示意图GaN主要工艺流程：(1)在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延(HVPE)生长GaN外延；(2)采用低压化学气相淀积(LPCVD)在GaN上淀积栅介质层SiO2，淀积温度为900；(3)淀积0.5m SiO2做保护层，进行离子注入

9、Si形成源漏重掺杂；(4)离子注入完成后，对器件进行快速热退火，消除晶格损伤并激活杂质；(5)淀积形成源漏区接触和栅极接触。2.主要工艺介绍2.1在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延(HVPE)生长GaN外延1)蓝宝石衬底 GaN 外延最常用的衬底是蓝宝石（-Al2O3），其结构为六方结构和斜方结构，如图18所示。蓝宝石具有高温下（1000）化学稳定，容易获得大尺寸，以及价格便宜等优点。缺点是它与GaN 之间存在着较大的晶格失配和热膨胀失配，大的晶格失配导致在GaN 外延层中产生很高的位错密度，高的位错密度降低了载流子迁移率和少数载流子寿命，降低了热导率；热失配会在外延层冷却过程中产生应力，导致裂

10、纹的产生，最终降低产品性能。（a）（b）图14 蓝宝石晶胞透视图(a)六方晶胞中沿0001晶向;（b）斜方晶胞中沿0001晶向A.晶格匹配B.临界层厚度 在异质外延生长时，应变能是随着外延层厚度增加而增加，通常把外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称为临界层厚度。计算临界层厚度的模型有：PB模型，Fisher模型和Matthews模型 2)AIXTRON HVPE生长GaNAIXTRON VPE 1005 Zone resistance HeaterLoad LockGas Mixing SystemElectronic Control RackAIX HVPE Reactor-Cross

11、 SectionHVPE反应方程:衬底条件:生长条件:Mg源:Cp2Mg 需要控制流速，生长温度等。2.2 采用低压化学气相淀积(LPCVD)在GaN上淀积栅介质层SiO21）二氧化硅的理化性质及用途密度:SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约2-2.2g/cm3；熔点:石英晶体1732,而非晶态的SiO2无熔点，软化点1500电阻率:与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可达1016cm,一般在107-1015 cm；介电性:介电常数3.9；介电强度:100-1000V/m；折射率:在1.33-1.37之间；腐蚀性:只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。0.8 nm栅氧化层栅氧化层隔离工艺隔

12、离工艺互连层互连层间绝缘间绝缘介质介质High K作为掩蔽膜作为掩蔽膜1)方法选择2)Tempress扩散系统1.装载系统：用于将上料台上的石英舟及未扩散硅片送入炉内，以及将扩散完成的硅片送到上料台。2.炉体部分：机台的核心部分，由四个炉体和温度控制系统以及炉门控制系统组成。3.气源柜：用于提供扩散工艺过程所需的各种工艺气体，以及将扩散过程中产生的尾气通过酸排风系统排出。4.配电箱：用于提供机台所需的动力电源。工艺参数：温度、压力、气体流量、工艺时间生长条件：二氯硅烷与氧化亚氮在低压下反应形成二氧化硅。反应：HClNSiO22O2N HSiCl22222C900TEOS源LPCVD法生长SiO

13、：3 离子注入3.1光刻涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤。光刻工艺过程示意图1)电子束抗蚀剂:COP,PBS,CMS,OEBR1000技术参数：1.扫描速度有：2.5MHz,4MHz，6MHz和10MHz多种选择2.工件台移动：45mmX45mm，150mmX150mm，200mmX200mm3.激光工件台的激光定位精度为2nm2)德国Raith电子束光刻系统型号有：Raith 50,Raith 150,Raith 2003)Vll Sta 810XEr 中束流注入机能量：20-80KeV400-500W/h典型离子注入典型离子注入参数参数:离子：P，As，Sb，B，In，O

14、剂量：10111018 cm-2能量：1 400 keV 可重复性和均匀性:1%温度：室温流量：1012-1014 cm-2s-1GaN:注入能量，注入角度，注入源，退火Si是n型GaN注入中最适用的掺杂物。4)Oxford Plasma lab System 100 ICP 180 干法刻蚀可以从抗蚀剂图案上得到高准确度的图案转移。终点控制用激光干涉度量法。2.2 源漏区欧姆接触 目前n-GaN上最常采用的金属为Ti/Al/Ni/Au。金属的功函数等于或低于GaN的4.2eV。Ti/Al双层结构其功函数较低，Ni/Au作为Ti/Al的覆盖层可以阻止AU向GaN表面的扩散，防止与GaN接触的T

15、i/Al的氧化。蒸镀和溅射是两种常用的欧姆接触制备方法1)利用CHF3 和O3的等离子体进行清洁2)电子束蒸发淀积金属PJ等离子清洗器通过利用对气体离化成等离子状态,来处理样品表面，实现清洁、改性、光刻胶灰化等的目的。美国 Temescal 公司，型号：FC20359；Ultimate vacuum 1 x 10-7 Torr；Operational Vacuum 1 x 10-6 Torr in 40 mins；3)钝化处理钝化是化学清洗的重要步骤之一。酸洗后因金属表面活化,暴露在大气中易受腐蚀。钝化处理是在酸洗之后用钝化液使金厲表面形成稳定的保护膜。2.3 退火工艺 快速热退火(RTA):

16、在瞬时内使某个区域加热到所需的温度，并在较短的时间内（1010秒）完成退火。快速热退火（RTA）的特点是升温速率（50/sec）和在该退火温度下的停驻退火时间短(0,栅氧化层中的场强越来越大，它们排斥P型衬底靠近 SiO2 一侧的空穴，形成由负离子组成的耗尽层。增大 VGS 耗尽层变宽。VGS继续增大:弱反型强反型 当VGS继续升高时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，ID将进一步增加。阈值电压：使半导体表面达到强反型时所需加的栅源电压。用VT表示。2.VDS对对导电沟道的影响导电沟道的影响(VGS VT)VGD=VGSVDSVDSVGSBPGN+N+SDVGSEL c.VDS=V

17、GSVT，即即VGD=VT：靠近漏极沟道达到临界开启程度，出现预夹断。VDS=VDSatb.0VDSVT:导电沟道呈现一个楔形。靠近漏端的导电沟道减薄。a.VDS 0，但值较小时但值较小时：VDS对沟道影响可忽略，沟道厚度均匀.d.VDSVGSVT，即即VGDVT：夹断区发生扩展，夹断点向源端移动.1）输出特性曲线）输出特性曲线(假设假设VGS=5V)(d)(d)VDS:VGDVTBPN+N+VDSVGSGSDLVTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVGD(c)V(c)VDS:VGD=VTBPN+N+VDSVGSGSDVGSVT(a)VDS很小很小VGSBPGN+N+SDVDSVGSVGDV

18、GS VGS=3V饱和区饱和区非非饱饱和和区区击击穿穿区区BVDS ID/mAVDS/VOVGS=5VVGS=4V预夹断轨迹预夹断轨迹VDSat 过过渡渡区区线线性性区区ID=IDSat2）转移特性曲线）转移特性曲线(假设假设VDS=5V)a.VGS VT 器件内存在导电沟道，器件处于导通状态，有输出电流。且VGS越大，沟道导电能力越强，输出电流越大.VGS/VID/mAOVT 3.氧化层氧化层厚度对厚度对GaN MOSFET器件特性的影响器件特性的影响器件的栅氧化层越薄，阈值电压越小，转移特性就越好，栅极电压对沟道的控制能力就越强，器件的灵敏度就越高。因此，氧化层厚度是阈值电压调整的重要参数

19、。随着氧化层厚度变薄，漏极饱和电流Id增大。也能验证转移特性随着栅氧化层厚度的增加，对导电沟道的控制能力减弱。4.栅长对栅长对GaN MOSFET器件特性的影响器件特性的影响随着栅长减小，阈值电压也随之减小。随着栅长的增大，沟道电阻增大，载流子输送的路径增长，从而引起饱和漏电流减小。5.沟道杂质浓度对沟道杂质浓度对GaN MOSFET器件特性的影响器件特性的影响沟道的掺杂浓度对场效应器件的阈值电压有重要影响，在制作器件过程中可以通过调节外延层材料掺杂浓度来调节阈值电压的大小。随着沟道掺杂浓度的提高，漏端饱和电流不断减小。其它参数：一、直流参数1.开启电压VT（增强型参数）夹断电压VP（耗尽型参数）饱和漏电流IDSS（耗尽型参数）直流输入电阻RGS（1091015）二、交流参数输出电阻rds，低频互导gm三、极限参数最大漏极电流IDM,最大耗散功率PDM,最大漏源电压V（BR）DS,最大栅源电压V（BR）GS1.GaN MOSFET器件研究现状2.GaN MOSFET器件存在的问题 1)在工艺方面，GaN材料的p型掺杂一直没有得到很好的解决。2)国内主要通过调整压力、温度、Mg掺杂量等参数优化体材料掺杂效果；国外主要集中在寻找新的受主元素(例如Be,Zn)使用新的结构(例如超晶格结构)、新的掺杂方法(例如共掺杂)等来提高p型掺杂的效果.谢谢