低温热退火无金欧姆接触工艺研究

作     者：刘志远 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑雪峰;赵海明

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：氮化镓 高电子迁移率晶体管 无金欧姆接触 

摘      要：氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)具有击穿电压高、电子饱和漂移速度大、导通电阻低等优良特性,在半导体功率器件领域有着广阔的应用前景。选择Si衬底进行外延生长,制备Si基GaN HEMT器件,还能与CMOS工艺兼容,可以极大地降低生产成本,提高市场竞争力。目前,国内外已经对Si基GaN HEMT器件开展了大量实验研究,结合欧姆接触工艺的研究现状,本文提出一种低温热退火无金欧姆接触工艺。基于该工艺制备Si基GaN HEMT器件,能够提高器件的击穿电压,并改善器件的可靠性。本文的主要研究内容如下:(1)研究了不同退火工艺及Ti/Al比分别对器件欧姆接触特性的影响。通过优化退火工艺,在550℃、120 s条件下,获得较为良好的欧姆接触特性。研究发现,适量的Ti可以促进Al与N反应生成低功函数的Al N化合物,起到催化作用,有利于欧姆接触的形成。过量的Ti会影响Ti N和Al之间的固相反应,形成不连续的Al N层,导致较高的欧姆接触电阻。(2)研究了欧姆前凹槽刻蚀深度对器件欧姆接触特性的影响。分析样品在不同退火工艺下,退火后电流-电压曲线变化。实验结果表明,进行欧姆前凹槽刻蚀处理,能够改善器件的欧姆接触特性。当刻蚀深度为15 nm时,能够形成较好的欧姆接触特性。(3)研究了无金欧姆接触工艺和有金欧姆接触工艺制备欧姆接触电极性能差异,并分别从电学特性以及材料表面形貌等方面进行分析比较。无金欧姆接触电极的欧姆接触电阻(R=0.87Ω.mm)以及比接触电阻率(ρ=2.55×10Ω.cm),略高于有金样品的欧姆接触电阻(R=0.69Ω.mm)和比接触电阻率(ρ=1.69×10Ω.cm)。但是,经过低温热退火处理的无金欧姆接触电极表面更为光滑,而且各层金属的合金反应程度很高,能够形成良好的欧姆接触特性。(4)分别开展了基于无金欧姆接触工艺和有金欧姆接触工艺Si基GaN HEMT器件制备。研究结果表明,采用无金欧姆接触工艺制备的器件与有金欧姆接触工艺相比,其源漏饱和电流密度为587 m A/mm,降低了4.7%,阈值电压变化不显著,但器件的击穿电压为532 V,提升了41.5%。说明低温热退火无金欧姆接触工艺能够改善器件的漏电现象,可提升器件的击穿电压。本论文研究成果可以为高性能Si基GaN HEMT器件工艺开发提供重要支持。