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漏源电压对SiC MOSFET阈值电压准确测量影响的研究

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电源学报 2024年第3期22卷 258-263页

作者：姚博均郭春生崔绍雄李嘉芃张亚民北京工业大学微电子学院北京100124

相较于Si器件,SiC MOSFET近界面氧化物陷阱区域更广,界面态陷阱密度高出2个数量级,大量陷阱不断俘获或释放电荷,导致阈值电压(Vth)随时间波动较大,因而Vth的准确重复测量成为难题。标准中阈值电压测量采用预处理的方法,保证每次测量时... 详细信息

相较于Si器件,SiC MOSFET近界面氧化物陷阱区域更广,界面态陷阱密度高出2个数量级,大量陷阱不断俘获或释放电荷,导致阈值电压(Vth)随时间波动较大,因而Vth的准确重复测量成为难题。标准中阈值电压测量采用预处理的方法,保证每次测量时陷阱电荷状态的一致性,但标准中未考虑漏源电压影响预处理填充后的陷阱状态,导致阈值电压测试误差。针对该问题,首先通过测量不同漏源电压脉冲影响下的转移曲线,显示不同源漏电压对阈值电压的影响;然后,基于瞬态电流法分析了漏源电压对陷阱电荷状态的影响;进而,分析了漏源电压影响陷阱的机理;最后对比了不同漏源电压对阈值电压测量的影响。实验表明,漏源电压影响栅漏间电场正负,进而影响陷阱填充或释放电荷,导致阈值电压漂移。测量阈值电压时使用较小漏源电压可提高测量准确性,减小可靠性实验由测试因素造成的误差。

关键词：阈值电压重复性碳化硅MOSFET 栅极结构

用于GaN基HEMT栅极金属TiN的ICP刻蚀工艺

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微纳电子技术 2024年第3期61卷 136-143页

作者：高阳周燕萍王鹤鸣左超上村隆一郎杨秉君爱发科(苏州)技术研究开发有限公司江苏苏州215026 株式会社アルバック神奈川县茅崎市253-8543

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在射频(RF)通信及新能源汽车领域有着巨大的应用潜力。TiN材料因其良好的热稳定性、化学稳定性及工艺兼容性,可用作GaN基HEMT的栅极材料。采用ULVAC公司生产的NE-550型电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备对Ti... 详细信息

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在射频(RF)通信及新能源汽车领域有着巨大的应用潜力。TiN材料因其良好的热稳定性、化学稳定性及工艺兼容性,可用作GaN基HEMT的栅极材料。采用ULVAC公司生产的NE-550型电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备对TiN材料进行了干法刻蚀工艺的研究。采用光刻胶作为刻蚀掩膜,Cl_(2)和BCl_(3)混合气体作为工艺气体,通过调整工艺参数,研究了ICP源功率、射频(RF)偏压功率、腔体压力、气体体积流量以及载台温度对TiN刻蚀速率和侧壁角度的影响。最后通过优化工艺参数,得到了TiN刻蚀速率为333 nm/min,底部平整且侧壁角度为81°的栅极结构。

关键词：氮化镓(GaN) 高电子迁移率晶体管(HEMT) 电感耦合等离子体(ICP)刻蚀 TiN Cl2和BCl3混合气体栅极结构新能源汽车

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增强型GaN HEMT器件的制备和研究

增强型GaN HEMT器件的制备和研究

作者：王磊深圳大学

学位级别：硕士

相比硅基材料,Ga N宽禁带(3.4 e V)的特性使其在功率器件的应用中具有很多优势。同时,Al Ga N/Ga N异质结具有高浓度二维电子气(2DEG)这一独特的特点,Ga N基HEMT成为了最有吸引力的研究领域之一。然而,常规的Al Ga N/Ga N HEMT器件的常... 详细信息

相比硅基材料,Ga N宽禁带(3.4 e V)的特性使其在功率器件的应用中具有很多优势。同时,Al Ga N/Ga N异质结具有高浓度二维电子气(2DEG)这一独特的特点,Ga N基HEMT成为了最有吸引力的研究领域之一。然而,常规的Al Ga N/Ga N HEMT器件的常开特性会引起复杂的电路设计和安全问题,增强型器件的发现很好的解决了这一问题,同时也成为了氮化物半导体的一个研究热点。现在已有的增强型器件实现方法中,p-Ga N栅帽层法有良好的可靠性,但阈值电压不够高。本文通过改进工艺和器件结构,希望器件实现高的阈值电压,同时还能有良好的输出特性,主要内容如下:(1)对实现增强型器件的四种方法做出了介绍,详细解读了实现机理。对p-Ga N栅HEMT器件的基本结构,制备过程进行了详细介绍,制备过程包括外延片清洗、台柱刻蚀、欧姆电极制备、栅极制备等。(2)探究了不同栅极结构制备的增强型器件,对比了基于MIS栅、肖特基栅、欧姆栅器件的性能差异。相比肖特基栅和欧姆栅,MIS栅结构可以有效地降低栅漏电流,同时能使阈值电压正向移动。为了进一步优化栅极结构,我们创新性地提出了一种通过自对准栅和低温退火实现的新型栅极优先MIS栅结构,经500℃退火制备了电阻为1.45Ω·mm的优良欧姆接触,阈值电压为2.5 V,栅极摆幅达到16 V,漏极电流密度最高为50 m A/mm。同时,栅极漏电在正反向区域都降到非常低的水平。(3)通过氧气等离子体处理工艺将p-Ga N层转化为高阻Ga N制备了p-Ga N高阻Ga N HEMT。氧气等离子体处理工艺以Al N层作为氧气扩散的阻挡层很好的防止了下方势垒层Al Ga N被氧化,也确保了低阻的p-Ga N层被充分氧化成高阻Ga N。相比较标准工艺制备的p-Ga N栅增强型HEMT,氧气等离子体处理制备的高阻Ga N HEMT实现了更低的漏电流,更高的开关比3.9×10～9,以及更低的导通电阻17.1Ω·mm,更低的电流崩塌效应,击穿电压也提高到530 V。

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管增强型栅极结构氧气等离子体

基于薄势垒AlGaN的Ka波段毫米波功率器件研究

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基于薄势垒AlGaN的Ka波段毫米波功率器件研究

作者：陈治宏西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着当今移动通讯技术的迅速发展,以第三代半导体材料氮化镓(GaN)为基础的电子器件正在扮演着越来越重要的角色。当前GaN基HEMT的工作频率进一步提高进入到毫米波频段,需要使用薄势垒材料来抑制因为栅极长度减小而产生的短沟道效应。但... 详细信息

随着当今移动通讯技术的迅速发展,以第三代半导体材料氮化镓(GaN)为基础的电子器件正在扮演着越来越重要的角色。当前GaN基HEMT的工作频率进一步提高进入到毫米波频段,需要使用薄势垒材料来抑制因为栅极长度减小而产生的短沟道效应。但是由于薄势垒AlGaN材料的极化强度较低,会造成HEMT载流子面密度低,以及使用传统SiN钝化工艺后表面漏电严重等问题,影响了器件的击穿特性,使其不能工作在较高电压下,从而影响器件的频率以及功率特性。本文对于以上问题做了如下研究工作:首先,针对薄势垒器件载流子面密度低以及传统SiN钝化后表面漏电严重问题,开展了 SiN钝化技术的研究,对钝化前SiO2预处理进行探究,发现SiO2在钝化前对器件表面进行保护能够使器件漏电水平降低,并且对比不同CVD钝化SiN后的器件特性,得出了PECVD进行SiN钝化更适合用于薄势垒器件。之后研究了不同Si/N比SiN钝化对器件性能的影响,结果表明在钝化前使用SiO2作为保护层,注入隔离后将SiO2腐蚀,再进行富硅(Si-rich)SiN结合常规Si3N4的双层钝化方式,一方面可以抑制器件的电流崩塌,另一方面可以抑制器件的表面漏电,提高击穿电压。此器件的fT/fmax=68/102GHz,输出功率可以达到5.2W/mm,峰值PAE为42.2%。为了简化器件工艺,我们同时还研制了直接使用富硅(Si-rich)SiN结合富氮(N-rich)SiN的双层钝化方式,也可以达到抑制电流崩塌以及表面漏电的作用,其fT/fmax=70/112GHz,功率特性上表现出5.8W/mm的输出功率以及48.0%的峰值PAE。其次,基于Si-rich+N-rich SiN 双层钝化器件仍然存在峰值跨导以及功率增益较低的问题,开展凹槽栅极结构的F基低损伤刻蚀研究,一方面可以抑制器件的短沟道效应,另一方面通过跨导的提升使器件射频应用时的增益提高,从而进一步优化频率和功率特性。相比于使用C1基进行栅下AlGaN势垒层刻蚀,F基刻蚀后器件的关态漏电水平显著降低,刻蚀损伤较低。我们从栅下刻蚀量,刻蚀后场效应迁移率、以及表面粗糙度几个方面来表征了F基刻蚀损伤。此方法研制的凹槽栅极结构器件,其fT/fmax=84/127GHz。功率特性上,输出功率达到6.3W/mm,峰值PAE为50.2%,并且线性增益从8.10dB增大到9.43dB。将此结果与国内外报道的应用于Ka波段毫米波器件的功率数据进行对比,处于一个较优异的水平。对于上述器件,其小信号特性仍可进一步提高,主要原因在于器件结构仍为传统场板T型栅结构,栅极处的寄生电容较大。因此我们基于SiN钝化后的器件进行半浮空T型栅结构研究,首先使用Silvaco TCAD软件对不同SiN厚度以及不同栅脚高度的半浮空T型栅结构器件进行仿真研究,确定了 20nm的SiN以及160nm的栅脚高度可以在保证器件直流特性的同时,减小栅极寄生电容从而提高频率特性。之后对半浮空T型栅器件制备所需的关键工艺电子束光刻进行简介。最后使用电子束光刻结合步进式(Stepper)光刻的新型工艺研制了半浮空T型栅结构器件,该器件的小信号特性上,fT/fmax=95/128GHz(Vd=6V),fT/fmax=82/140GHz(Vd=15V),频率特性提升显著。

关键词： AlGaN/GaNHEMT 薄势垒毫米波 SiN钝化电子束光刻栅极结构

基于栅控技术的Fe3+离子热电器件输出电压放大与自供电性能提升研究

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基于栅控技术的Fe3+离子热电器件输出电压放大与自供电性能提升研...

作者：陶盼梦安徽大学

学位级别：硕士

离子热电（Ion thermoelectric,i-TE）器件是依靠离子迁移实现将热能转化为电压信号的一种新型器件,利用内部的热扩散效应和热电化学效应实现热能和电能之间的转换。基于热扩散（Soret）效应的i-TE器件与基于塞贝克（Seebeck）效应的传... 详细信息

离子热电（Ion thermoelectric,i-TE）器件是依靠离子迁移实现将热能转化为电压信号的一种新型器件,利用内部的热扩散效应和热电化学效应实现热能和电能之间的转换。基于热扩散（Soret）效应的i-TE器件与基于塞贝克（Seebeck）效应的传统热电（Thermoelectric,TE）器件相似,两者都能产生与电荷转移焓相关的热电压。然而,传统TE器件由于Seebeck系数受到半导体物理性质的限制,最高仅为几百μV K-1。而大多数i-TE材料都是丰富的盐类元素组成的,i-TE器件由于其内部的离子迁移会产生较大Seebeck系数,它们能产生比传统TE器件大数百倍的热电压。通过引入栅极控制技术来增强i-TE性能,一方面可以有效提高塞贝克系数,另一方面通过调节栅极和源极之间电压,起到控制源极和漏极两端输出电压。研究表明栅极结构对提高薄膜中离子热电压信号具有很高的应用潜力。目前,特殊栅极结构在离子热电领域的利用缺少相关研究报道,使得这一崭新的栅极结构的研究显得非常有必要。本文主要包含以下内容:（1）通过利用p型多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotube,MWCNT）和六水合三氯化铁（Fe Cl3.6H2O）真空过滤制备了具有p型FMC复合薄膜。Fe3+浓度在2、4、6、8、10 mol/L（M）时,温差ΔT≈35 K,FMC复合薄膜均可以输出热电压信号。研究发现,与MWCNT薄膜相比较,高浓度的Fe3+导致受外界湿度影响,使得其输出电压有很大的不稳定性,但同时也有很大的离子热电效应,经过研究分析发现该不稳定因素为空气中的水分子。在湿度（RH）50%以下时,FMC薄膜表现随着Fe3+浓度的升高热电压越高,高湿度下不同Fe3+浓度的FMC薄膜对电压输出影响较小,其电压值相比低湿度（35%）时大约提升25倍。通过设计凝胶放在FMC薄膜中间引入栅极结构。在分析凝胶对热电压输出的影响时,设计了三种情况来进行比较,一是没有凝胶时单膜的热电压;二是有凝胶但栅极与源极并不导通;三是有凝胶并且栅极和源极导通。通过对比分析,器件的热电压信号在连接栅极与源极比没有连接栅极和源极增大43%～57.6%。本研究不仅分析了不同Fe离子浓度对FMC复合薄膜的热电压的影响,还研究了环境湿度对离子的扩散情况和离子通道的影响,为更好利用栅极结构提高热电压输出提供了全新的研究思路。（2）MWCNT-Fe薄膜热电器件输出的电压而被证明是一种有效的电源。研究了一种由导电网络（MWCNT）组成的多元素混合薄膜,在该研究中器件提供了载流子传输通道和盐离子（氯化铁溶液）传输通道。根据本文的研究,电极的选择、MWCNT层和氯化铁是设计薄膜的重要因素。在氯化铁栅极和水栅极的作用下,最终的输出电压分别为0.57 V和0.55 V。单根MWCNT-Fe薄膜器件在温差为12 K的条件下可以产生0.79 V的高电压。该器件高电压、低成本、无毒、无污染更适合日常生活。随着进一步的封装,它将在电源中得到更好的应用。其独特的工作原理也为i-TE的发展提供了一条新的途径。

关键词：离子热电栅极结构多壁碳纳米管六水合三氯化铁

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脉冲闸流管重复频率的提高

脉冲闸流管重复频率的提高