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电子元件与材料 2014年第7期33卷 97-98页

作者：赵海发杨锋英郑州交通职业学院

宽禁带半导体材料gan作为第三代半导体材料具有传统半导体材料所不具备的优异性能,在高频、高压、高温和大功率器件领域具有重要的应用。介绍了硅基gan(gan-on-si)器件提高性能的技术路线,以及与之相关的材料集成技术。

关键词：宽禁带半导体 si基gan 功率器件结构改进材料集成器件集成

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si基gan HEMT器件高温可靠性研究

Si基GaN HEMT器件高温可靠性研究

作者：王泽宇西安电子科技大学

学位级别：硕士

电子信息产业的飞速发展对半导体器件的性能提出了更高的要求,例如,大功率、高速半导体器件要求具有低的导通电阻、高的反向击穿电压和较快的响应速度。除了这些基本特性要求,非常规极端环境下(高温、高压等)的应用场景对器件可靠性及... 详细信息

电子信息产业的飞速发展对半导体器件的性能提出了更高的要求,例如,大功率、高速半导体器件要求具有低的导通电阻、高的反向击穿电压和较快的响应速度。除了这些基本特性要求,非常规极端环境下(高温、高压等)的应用场景对器件可靠性及寿命提出了更高的要求。以gan和si C为代表的第三代宽禁带半导体材料具有高禁带宽度和高迁移率的优势,所制备的大功率器件在高温、高压等极端环境应用上表现出高性能。与si C材料相比,gan及其同族三族氮化物材料可以实现高迁移率的二维电子气、用来制备高电子迁移率晶体管(HEMT),因此在未来大功率高速耐高温器件的应用中,gan材料更具有广阔的应用前景。而si基gan材料具有si衬底大尺寸、低成本的优势,si基gan HEMT器件引起了微波毫米波通信、电力电子、高温电子领域科研和产业人员极大的兴趣。目前,科研人员已对si基gan HEMT器件的常温电学特性进行了深入研究。针对高温苛刻环境应用,我们需要深入理解si基gan HEMT的高温可靠性。但是对si基gan器件高温可靠性的研究,尤其是器件在高温环境中(200℃以上)长时间高温热存储后其性能表现及内在退化机制的研究比较少见。基于此,本文以探究si基gan HEMT器件高温可靠性有关的行为及其机理为目标展开研究,分别制备了不同尺寸的si基Algan/gan HEMT器件和si基InAlN/gan HEMT器件,进行高温存储的研究和高温测试。本文的主要内容包括:1)开发si基Algan/gan HEMT器件和InAlN/gan HEMT器件的制备工艺技术,制备了不同尺寸的si基InAlN/gan HEMT器件和Algan/gan HEMT器件,对其高温可靠性进行研究。利用半导体参数分析仪对器件在不同时长350o C下高温热存储后的直流输出特性、转移特性和栅极泄漏电流等进行了测试,发现随热存储时间的增加,饱和电流出现先增加后下降的趋势,其阈值电压基本保持稳定;泄漏电流随着热存储时间的变化而出现先升高后降低的趋势;gan异质结结构中二维电子气浓度随着热存储时间的增加而增大;迁移率随着热存储时间的增加而降低;欧姆接触电阻随着热存储时间的增加先减小后增加。2)制备了不同尺寸的si基InAlN/gan HEMT器件,在室温到250℃的温度范围对器件的直流特性进行表征测试。变温特性显示器件的饱和电流随着器件工作温度的上升而逐渐下降,在100℃的饱和电流较室温下降了18.8%,栅漏间距越小则饱和电流下降的趋势越明显,且泄漏电流会随着工作温度的上升而增大;泄漏电流在250℃时较常温下扩大了3个数量级。阈值电压随着温度的升高而向正电压的方向移动;输出饱电流随着温度的升高而逐渐下降,异质结结构中二维电子气浓度随着温度的升高而增加,迁移率随着温度的升高而降低。欧姆接触随温度变化趋势与势垒层材料无关。

关键词： si基gan Algan/gan HEMT InAlN/gan HEMT 高温可靠性热存储特性

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si基gan超势垒功率二极管

Si基GaN超势垒功率二极管

作者：石瑜电子科技大学

学位级别：硕士

gan器件在经过近十年的高速发展后,相比于传统硅基MOSFETs,其在高速、高效、高功率应用领域已展现出越来越明显的性能优势。为充分发挥gan器件高频、高能效、高功率密度、工作温度高等独特优势,最大限度地提升gan基电力电子系统的性能,... 详细信息

gan器件在经过近十年的高速发展后,相比于传统硅基MOSFETs,其在高速、高效、高功率应用领域已展现出越来越明显的性能优势。为充分发挥gan器件高频、高能效、高功率密度、工作温度高等独特优势,最大限度地提升gan基电力电子系统的性能,开发单芯片硅基gan功率IC是必然趋势。除gan晶体管外,二极管也是发展gan单片功率IC不可或缺的核心器件之一。然而业界对gan-on-si二极管的研究甚少,目前尚无其商用产品,因此开发具有超低开启电压、低导通电阻、低反向漏电、高耐压和高均一性的gan功率二极管十分必要。本文针对上述背景,提出了一种高性能的gan-on-si二极管新结构,并对其在射频混合信号方向的应用进行了研究。主要内容如下:(1)提出一种超势垒混合阳极gan横向功率二极管新结构(Hybrid-anode Super-barrier Diode—HSD)。该结构采用超薄势垒Algan/gan异质结,其沟道2DEG密度(022 cm)比传统常规势垒(033 cm)降低了1个量级,具有天然的整流特性。后期通过在异质结上生长LPCVD-siN等介质层,利用其引入的介质电荷和介质应力来恢复access region中的2DEG,栅下区域由于介质层被去除而保留了其天然的整流特性,因此可在实现整流特性的同时充分降低器件导通电阻。相比于传统常规势垒结构,HSD具有两大优势:一,通过控制MOCVD生长的异质结势垒层厚度可实现开启电压的精确调控;二,不需要对栅下势垒层进行额外的“处理”,如刻蚀或离子注入,可极大地降低该步工艺中可能产生的晶格损伤及其带来的器件性能衰退问题,有利于实现高性能的gan二极管。(2)仿真设计优化并实验制备gan HSD器件。本文首先通过仿真对异质结势垒层的厚度进行优化;其次对优化后的HSD进行流片实验,并在实验中不断优化工艺菜单以开发适用于HSD器件的制备技术;最终获得的HSD器件开启电压仅为0.35V,L=10μm时耐压达到800V以上。同一晶圆上制备的155个器件,其开启电压标准差仅为0.025V,表明器件性能具有高均匀性。(3)HSD器件的拓展应用——零偏压混频器。该混频器由两个gan HSD器件并联而成,器件直流测试结果显示,HSD混频器在0V附近具有较强的非线性,室温下的开启电压仅为0.2V;经初步的RF测试可看出,当温度高达200℃时,器件表现出较好的混频特性,表明器件具有良好的高温特性。

关键词： si基gan 超薄势垒整流器零偏压混频器

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si基gan上传输线的射频损耗研究

Si基GaN上传输线的射频损耗研究

作者：刘俊伟西安电子科技大学

学位级别：硕士

si基gan异质结结构具有高击穿场强、高二维电子气（2DEG）浓度、高2DEG饱和速度、大尺寸、低成本,且可与si CMOS单片集成等优点,在雷达、卫星、5G/6G射频前端、射频能源等微波毫米波电路中具有非常好的应用前景。但是,相比于si C基gan,S... 详细信息

si基gan异质结结构具有高击穿场强、高二维电子气（2DEG）浓度、高2DEG饱和速度、大尺寸、低成本,且可与si CMOS单片集成等优点,在雷达、卫星、5G/6G射频前端、射频能源等微波毫米波电路中具有非常好的应用前景。但是,相比于si C基gan,si基gan外延片的射频损耗较高,尤其是在高温下的射频损耗很高。这对于si基gan在微波毫米波器件和集成电路中的应用带来很大的挑战,尤其是对电路中的无源传输线性能影响更大。因此,我们需要对其射频损耗的产生机理进行研究,并以此为依据突破降低其上无源传输线的射频损耗的技术。本文就高阻si基gan上传输线射频损耗的产生机理以及传输线射频损耗降低的方法,进行了实验与仿真研究。本工作的研究内容及成果如下:首先,通过实验研究了常温（25℃）下高阻si基gan外延片上传输线射频损耗的产生机理。首先,使用反应离子刻蚀（RIE）设备对高阻si基gan外延片进行自上而下的分层刻蚀。然后分别研究了gan缓冲层、Al gan过渡层、Al N成核层以及Al N/si界面处载流子对于传输线射频损耗的影响。实验结果表明,gan缓冲层、Al gan过渡层、Al N成核层对于射频损耗影响不大,射频损耗主要源于Al N/si界面处的载流子。Al N/si界面处载流子主要来自寄生p型沟道和可能存在的电子反型层。然后,通过实验在高阻si基Al N材料上制作CV环,并测试了10 k Hz-1 MHz下的C-V特性曲线,分析后确定在Al N/si界面处不存在电子反型层。因此,得出结论为常温下高阻si基gan外延片上传输线的射频损耗主要来自于Al N/si界面处的寄生p型导电沟道。然后,通过实验研究了高温（＞150℃）下高阻si基gan外延片上传输线射频损耗的产生机理。使用RIE刻蚀去除全部外延层,对比了有无外延层的高阻si基gan外延片上传输线射频损耗值随温度的变化,对实验结果进行分析后,发现常温到150℃范围内射频损耗主要来自Al N/si界面处寄生的p型导电沟道;而在高温下（＞150℃）,射频损耗主要来自高阻si衬底的本征激发。另外,通过高阻si衬底的变温接触式霍尔测试结果,结论得到了进一步的验证。最后,我们提出了两种降低si基gan射频损耗的方法。第一种,对外延基板进行预处理。首次提出使用离子注入对高阻si基Al N模板注入P离子,以降低Al N/si界面处寄生p型导电沟道的电导率,从而降低材料的射频损耗。实验结果表明,经过离子注入P后的样品上CPW射频损耗会大幅度降低,在25℃下,可由1.58 d B/mm@40GHz降低至0.40 d B/mm@40 GHz,降低了75%。实验结果表明,离子注入P对于高阻si基Al N模板上传输线的射频损耗具有良好的抑制作用。并且,在25℃-200℃温度范围内,离子注入P后,高阻si基Al N模板上传输线的射频损耗体现出明显的下降。在温度＞200℃后,离子注入P对射频损耗的抑制作用较差。第二种,对传输线结构进行设计和提升。提出了插入接地结构,以屏蔽高阻si基gan对射频损耗的影响。首先,使用HFSS软件结合实验数据建立了高阻si基gan外延片的仿真模型。通过HFSS仿真研究发现,在毫米波波段,CPW的性能优于微带线,尤其当si衬底较厚时更明显。适当增大传输线的尺寸、金属厚度,CPW的射频损耗可以进一步降低。然后,通过仿真研究了插入接地结构的共面波导线（IGCPW）,仿真结果表明,对于以5μm低介电常数材料BCB作为介质的IGCPW,在94 GHz下具有0.33 d B/mm的低射频损耗值。仿真结果表明,该结构对于常温到高温下高阻si基gan外延片上传输线的射频损耗均具有非常好的抑制作用。

关键词： si基gan 射频损耗传输线高阻si衬底离子注入插入接地共面波导线

CMOS兼容的si基gan准垂直结构肖特基势垒二极管

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半导体技术 2022年第3期47卷 179-183页

作者：陈延博杨兵康玄武郑英奎张静吴昊刘新宇北方工业大学信息学院北京100144 中国科学院微电子研究所北京100029

在si基gan上制备了与CMOS工艺兼容的高性能准垂直结构肖特基势垒二极管(SBD)。探索了在gan体材料上基于Ti/Al/Ti/TiN结构的无金欧姆接触工艺,在650℃的N_(2)氛围退火60 s实现了较好的欧姆接触性能。通过采用电感耦合等离子体(ICP)干法... 详细信息

在si基gan上制备了与CMOS工艺兼容的高性能准垂直结构肖特基势垒二极管(SBD)。探索了在gan体材料上基于Ti/Al/Ti/TiN结构的无金欧姆接触工艺,在650℃的N_(2)氛围退火60 s实现了较好的欧姆接触性能。通过采用电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺,实现了低损伤的侧壁。同时采用TiN作为肖特基金属,实现了较低的开启电压。器件制备完成后对其进行分析表征。测试和分析结果表明,制备的无金工艺的准垂直gan SBD实现了0.5 V的低开启电压,0.37 mΩ·cm^(2)的比导通电阻,理想因子为1.06,势垒高度为0.81 eV。器件的击穿电压为256 V,巴利加优值(BFOM)达到了177 MW/cm^(2)。研究表明,采用无金工艺制备gan SBD具有技术上的可行性,该技术有望降低gan SBD的制造成本。

关键词： si基gan 肖特基势垒二极管(SBD) 准垂直结构无金工艺电感耦合等离子体(ICP)刻蚀 TiN CMOS兼容工艺

AlN缓冲层对提高硅基gan薄膜质量的作用机理及其研究进展

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真空科学与技术学报 2006年第4期26卷 308-312页

作者：王敬蕊叶志镇赵炳辉朱丽萍唐海平浙江大学硅材料重点实验室杭州310027

AlN作为中间层可以有效提高硅基gan的晶体质量。本文对于AlN作为形核层和插入层提高gan晶体质量的机理进行分析和总结,并给出AlN的最佳生长条件。

关键词： si基gan AlN 综述应力位错

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射频用硅基氮化镓的外延生长研究

射频用硅基氮化镓的外延生长研究

作者：马金榜西安电子科技大学

学位级别：硕士

gan作为第三代宽禁带半导体的典型代表,由于其禁带宽度大、极化强度高、有大的击穿场强等优点,被广泛应用于大功率器件、发光二极管以及射频器件中。si基gan材料凭借着优于蓝宝石衬底的热导率、尺寸大、成本低以及可以与si工艺相兼容等... 详细信息

gan作为第三代宽禁带半导体的典型代表,由于其禁带宽度大、极化强度高、有大的击穿场强等优点,被广泛应用于大功率器件、发光二极管以及射频器件中。si基gan材料凭借着优于蓝宝石衬底的热导率、尺寸大、成本低以及可以与si工艺相兼容等优点,在5G通信、手机前端等领域有着非常好的应用前景,得到了研究人员的广泛关注。但是相比与蓝宝石、si C衬底上外延得到的gan HEMT,si衬底和gan之间的晶格失配和热失配更大,得到的si基gan会受到较大的张应力,产生较大的翘曲,使得最终得到的si基gan的晶体质量和均匀性受到影响。此外,采用si基gan进行射频器件的制备时,其射频损耗比蓝宝石衬底、si C衬底上的更加严重,限制了si基gan在微波毫米波器件以及射频方面的应用。本文就低缺陷、高均匀性、低射频损耗的si基gan材料生长优化以及高性能的si基gan HEMT器件制备表征等方面展开研究工作。研究成果如下:1、本文在常规的si基gan材料生长的基础上创新性的对si衬底进行了预处理,最终实现了21%的si基gan的位错密度降低,得到了低缺陷密度的si基gan样品,为进一步提高si基gan的晶体质量指出了一种新的可能。2、在si衬底预处理这一方法的基础上,进一步研究了si基Algan/gan异质结的均匀性的影响因素。实验表明si基Algan/gan异质结的方阻均匀性与si基Algan/gan异质结的翘曲密切相关,si基Algan/gan异质结较大的翘曲会导致gan中心、二分之一半径和边缘处的位错密度存在差异,影响了载流子迁移率,最终导致方阻均匀性变差。对于这一现象建立了模型加以说明并通过优化翘曲将方阻不均匀性由13.25%降低到6.66%。3、基于翘曲实验的优化条件,研究了预铺铝气流量对si基Algan/gan异质结的方阻均匀性的影响。通过优化预铺铝气流量将外延生长得到的si基Algan/gan异质结方阻不均匀性由6.66%降低到2.84%。4、对si基Algan/gan异质结中螺位错、刃位错的不同湮灭机制进行了研究。TEM等测试结果表明刃位错的湮灭与Al组分的有无存在密切联系,而相比之下螺位错在各层均可以得到较好的湮灭。5、针对si基Algan/gan异质结射频损耗严重这一问题,本文首次采用原位补偿的方式来对衬底中寄生P型导电沟道进行补偿。在实现较好原位补偿的基础上使得最终si基gan的质量得到改善。对基于优化后的预铺磷条件制备的CPW结构进行表征后发现,相比于未采用原位补偿磷的si基AlN基板,原位补偿磷之后其射频损耗降低了60%以上,表明原位补偿这一方式在降低si基Algan/gan异质结射频损耗方面具有极大的应用潜力。6、成功制备了高性能的si基gan HEMT器件,完成了相关测试与表征。未掺杂的si基gan HEMT器件直流饱和输出电流密度为600 m A/mm,最大跨导为140m S/mm,并且器件具有很低的漏电,关态漏极漏电流和关态栅极漏电流分别为0.11μA/mm和0.03μA/mm。在小栅漏间距下,该si基gan HEMT器件展现出了优异的三端击穿特性,在栅-漏间距为2.5μm时,其击穿电压为240 V,单位击穿场强高达96 V/μm,位居世界前列,展现出了优异的耐压能力,非常适用于小栅漏间距下的si基gan射频器件领域。

关键词： si基gan 预处理翘曲射频损耗原位补偿高电子迁移率场效应晶体管

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基于应力调控的硅基氮化镓材料和器件研究

基于应力调控的硅基氮化镓材料和器件研究

作者：江海清西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,si基gan材料及器件研究的关注度越来越高。si基gan材料具有两方面的主要优势：一方面是源于si基衬底材料。si衬底具有成本低、尺寸大的优点,同时自身的热导率较好,并且与传统的si器件工艺兼容性好,基于以上的优势,si基材料一直... 详细信息

近年来,si基gan材料及器件研究的关注度越来越高。si基gan材料具有两方面的主要优势：一方面是源于si基衬底材料。si衬底具有成本低、尺寸大的优点,同时自身的热导率较好,并且与传统的si器件工艺兼容性好,基于以上的优势,si基材料一直都被研究人员所看好。另一方面,gan材料禁带宽,击穿电场高,热导率高以及抗辐照能力强等特点使得gan材料成为制作高频大功率、耐高温、抗高压以及抗辐照电子器件以及光电子器件的理想材料。但是由于si衬底与gan外延层之间存在着较大的晶格失配和热失配,所以si衬底上gan外延层中受到很强的张应力,甚至材料表面容易出现裂纹,这是制约硅基gan技术的重要难题之一。同时Algan/gan异质结构和HEMT器件性能在很大程度上得益于其材料体系内部的自发极化和压电极化效应,外延薄膜中的应力会对器件性能造成显著影响。因此本文围绕应力对硅基gan材料和器件的影响,一方面通过硅基gan材料生长方法的研究希望能够降低gan外延薄膜的张应力,另一方面通过施加外部应力,深入研究应力对si基gan HEMT器件性能的影响。本文的具体工作及结论如下：1. 针对硅基gan外延材料应力过大和裂纹问题,通过改进应力调控过渡层的结构,有效抑制了裂纹和应力,并显著提高了硅基gan材料的质量。首先对传统由生长程序生长的样品,进行表面形貌表征,结晶质量表征,发现材料结构中的A1N成核层以及Algan缓冲层对gan外延层的影响较大。所以,本文对成核层采用在蓝宝石衬底上进行优化过的三步法生长方式进行设计,即高温A1N+低温A1N+高温A1N结构。同时为了减小生长中的品格失配问题,本文设计加入两层变铝组分的Algan缓冲层结构,即高铝组分的Al0.5Ga0.5N层与低铝组分的Al0.25Ga0.75N进行两步法生长。并对生长获得的si基gan异质结材料进行材料表征对比分析。我们发现采用新结构生长的si基gan材料表面没有裂纹的出现,说明由于失配导致的应力被有效的缓解释放了。同时,与样品A对比,设计生长的样品B的螺位错密度下降了一个数量级,刃位错密度下降了两个数量级。通过TEM的表征,发现位错主要湮灭在变铝组分的Algan缓冲层,说明渐变Al组分的Algan缓冲层可以有效降低si基gan材料内的位错。2. 研制出si基gan异质结材料MIS-HEMT器件样品,并对器件的直流特性和界面特性进行了深入分析研究。对MIS-HEMT器件的性能进行表征,主要对器件的欧姆接触特性、输出特性、转移特性以及栅的MIS电容特性进行表征分析。并通过C-V曲线计算获得器件的界面态密度。3. 通过应力施加台对器件施加不同程度的机械应力,并对不同应力下的器件特性进行测试。首先,通过拉曼测试发现,随着应力的增大,gan外延层的拉曼峰位发生红移,说明gan材料受到的张应力增大了。随后,通过对不同应力下的器件特性对比分析,发现随着外加应力的增大,器件的饱和漏电流逐渐增大,载流子的浓度也随着外加应力的增大而增大,而界面态密度却没有发生明显的变化。对比结果说明,由于界面态密度没有明显变化,所以二维电子气的增加主要是由于外加应力导致的。外加应力增大导致拉曼峰位发生红移,导致材料的载流子浓度增大,从而器件饱和输出电流增大。

关键词： si基gan 应力调控机械应力载流子浓度饱和输出电流

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基于集成光子芯片的双工音频通信系统研究

基于集成光子芯片的双工音频通信系统研究

作者：绪锌羽南京邮电大学

学位级别：硕士

随着无线通信的发展,诸多问题涌现,例如频谱资源逐渐紧缺、对环境的污染、应用场景的限制和安全性较低等,可见光无线通信逐渐进入人们视野。第三代半导体材料的兴起为此提供了契机,世界各国的研究人员纷纷开始研究如何将其应用于可见光... 详细信息

随着无线通信的发展,诸多问题涌现,例如频谱资源逐渐紧缺、对环境的污染、应用场景的限制和安全性较低等,可见光无线通信逐渐进入人们视野。第三代半导体材料的兴起为此提供了契机,世界各国的研究人员纷纷开始研究如何将其应用于可见光无线通信中。第一支gan基蓝光LED的出现,让研究人员看到了用gan材料制造光电器件的优势,随后,gan基光探测器也成功被研制出来。用gan材料制成的光电器件具有功耗低、发光效率高、响应速度快和尺寸小等优点,因此研究人员也将其应用于可见光无线通信中。本文首先通过对si衬底gan基光电二极管和光探测器原理的研究,分析出其作为可见光无线通信核心器件的潜力;再通过对si衬底gan基光子芯片的制备工艺的介绍和对其基本性能的测试,从而分析出其光电转换以及电光转换等一系列光电性能;然后通过对可见光通信系统的发送端和接收端的研究和介绍,分析si衬底gan基光子芯片应用于可见光无线通信系统中的作用;最后通过对可见光通信系统电路的设计,令其实现真正意义上的可见光全双工音频通信。本文所采用的si衬底gan基光子芯片集成了光电二极管和光探测器,使其可以实现可见光的全双工通信。之所以可以实现此功能,是因为本文通过对该芯片的发光谱和探测谱的研究,发现其发光谱和探测谱具有一定范围的重叠,利用这一特性,便可以实现全双工通信,这也是本文的核心创新点之一。本文通过全双工的音频通信系统,验证了si衬底gan基光子芯片的全双工通信能力,为将第三代半导体材料的应用推广添砖加瓦。

关键词：可见光通信 si基gan 多量子阱发光探测共存