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High-Al-composition AlGaN/GaN mishemt on Si with fT of 320 GHz

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Science China(Information Sciences) 2024年第6期67卷 459-460页

作者： Hanghai DU Lu HAO Zhihong LIU Zeyu SONG Yachao ZHANG Kui DANG Jin ZHOU Jing NING Zan LI Jincheng ZHANG Yue HAO State Key Laboratory of Wide Bandgap Semiconductor Devices and Integrated Technology School of MicroelectronicsXidian University Guangzhou Wide Bandgap Semiconductor Innovation Center Guangzhou Institute of TechnologyXidian University State Key Laboratory of Integrated Services Networks School of Communication EngineeringXidian University

GaN-based metal-insulator-semiconductor high-electronmobility-transistors (mishemts) have many excellent performances compared with the Si and Ga As counterparts,and are prime candidates for applications in communicat... 详细信息

关键词： algan high with composition mishemt

AlGaN/GaN凹槽栅mishemt器件工艺与新结构研究

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AlGaN/GaN凹槽栅MISHEMT器件工艺与新结构研究

作者：庞慧娇电子科技大学

学位级别：硕士

随着半导体科技的不断进步,硅基半导体技术取得了几十年来持续的发展,已经成为当今半导体技术中最为成熟的技术,但在功率半导体领域硅基器件正逼近其理论极限,对新型半导体材料器件的研究尤为重要。GaN材料与硅材料相比具有禁带宽度更... 详细信息

随着半导体科技的不断进步,硅基半导体技术取得了几十年来持续的发展,已经成为当今半导体技术中最为成熟的技术,但在功率半导体领域硅基器件正逼近其理论极限,对新型半导体材料器件的研究尤为重要。GaN材料与硅材料相比具有禁带宽度更大、临界击穿电场更高、电子迁移率更大、电子饱和速度更快以及可以在更高温度条件下工作等优点,具有巨大的发掘潜力。因为AlGaN/GaN异质结高浓度的二维电子气的存在,常规的AlGaN/GaN HEMT器件是耗尽型器件,实现增强型器件是GaN器件研究领域中非常重要的一个方向,本文就是致力于对实现增强型AlGaN/GaN凹槽栅器件工艺和新结构的研究。本文主要研究内容包括:(1)仿真研究了不同器件尺寸和栅槽深度对AlGaN/GaN HEMT器件的影响,以及不同栅槽深度、不同栅介质材料、不同栅介质厚度对AlGaN/GaN凹槽栅mishemt器件的影响。结果显示,HEMT器件的饱和漏电流和跨导随漏源距离、栅长和栅漏距离的增大而减小,阈值电压随栅槽深度的增大而增大。mishemt器件阈值电压和跨导随栅凹槽深度的增大而增大,阈值电压随栅介质厚度增大和介电常数的减小而增大,但跨导随栅介质厚度增大和介电常数的减小而减小。(2)研究了干法刻蚀以及湿法刻蚀制备凹槽栅的工艺。通过采用干法刻蚀和热氧化后的湿法腐蚀相结合制备栅槽的方式,制得了具有一定深度且表面均方根粗糙度仅为0.198nm的栅凹槽。还提出了使用栅沉方式实现凹槽栅的新型栅槽制备工艺。(3)通过使用干法刻蚀制备栅槽的工艺,实现了阈值电压为3.2V的增强型凹槽栅mishemt器件;使用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合制备栅槽工艺,实现了阈值电压为3.5V的增强型mishemt器件,并且湿法腐蚀使器件阈值电压回滞从0.7V降低为了0.1V。(4)利用本文提出的新型栅槽制备工艺,制备了栅沉AlGaN/GaN HEMT新结构器件,实现阈值电压从-4.3V到-3V的调控。

关键词： AlGaN/GaN 凹槽栅 mishemt 增强型栅沉

AlGaN/GaN mishemt器件界面特性的研究

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AlGaN/GaN MISHEMT器件界面特性的研究

作者：张佩佩杭州电子科技大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其高电子迁移率、高击穿场强和高的电子饱和速度的优越特性而受到广泛关注。然而,仍存在很多问题,制约着AlGaN/GaN HEMT器件大规模应用。金属-绝缘层-半导体(MIS)结构的引入能够有效的减小器件... 详细信息

氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其高电子迁移率、高击穿场强和高的电子饱和速度的优越特性而受到广泛关注。然而,仍存在很多问题,制约着AlGaN/GaN HEMT器件大规模应用。金属-绝缘层-半导体(MIS)结构的引入能够有效的减小器件的栅漏电,提高器件的击穿电压。另外栅介质作为器件的表面钝化层,能够提高器件的界面质量,有效抑制电流崩塌,增加器件的阈值稳定性。因此mishemt器件成为一个重要的研究方向。在本论文中,研究工作主要围绕AlGaN/GaN mishemt器件的界面性能改善展开,包含界面性能的仿真和工艺改进。在性能仿真方面。主要研究了界面态对器件输出、转移等特性的影响。在工艺改进方面,主要研究了介质层的选择、等离子体处理工艺对界面特性的提升。论文主要内容如下:1.对GaN器件进行了仿真,重点仿真了不同类型的界面态对器件性能的影响,从沟道载流子浓度方面解释了界面态对沟道的影响。仿真的结果为下一步选择器件的外延结构,以及制备高性能的GaN器件提供了很好的基础。2.采用LPCVD淀积的Si3N4作为AlGaN/GaN HEMT器件的栅介质,然后对器件的电学性能进行分析研究,结果表明器件的阂值回滞较大。为改善这种现象,采用双层介质的方法,第一层选择使用PECVD生长的SiON,第二层介质为高温LPCVD生长的Si3N4。此复合材料即可充当栅介质层又可充当表面钝化层,抑制器件的性能退化。通过变温和不同栅压下的转移测试表明,复合介质的器件阈值电压的变化更稳定。3.通过采用N2和N2O等离子体处理的方式,研究了不同界面处理对器件性能影响,实验结果显示等离子体处理能增加器件的阈值稳定性,如N2O等离子处理的器件最大阈值回滞200 mV,器件的击穿电压达到805 V。并通过多频率C-V曲线测试,提取出了界面陷阱密度和能级的关系。

关键词： AlGaN/GaNHEMT 复合栅介质 mishemt 阈值电压界面态

采用AlN绝缘栅的AlGaN/GaN凹栅槽结构mishemt器件

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科技创新导报 2012年第4期9卷 6-8页

作者：黄俊张宗贤黄峰魏珂刘新宇郝跃张进诚海峡西岸(云霄)光电产品检测研发中心漳州363300 中国科学院微电子研究所北京100029 西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

本文通过射频磁控反应溅射实现高质量的AlN绝缘栅层,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀出凹栅槽结构,将MIS结构和凹栅槽结构的优点相结合,研制成功AlGaN/GaN凹栅槽结构MIS HEMT器件,在提高器件栅控能力的同时,降低栅极漏电,提高击穿电压。... 详细信息

本文通过射频磁控反应溅射实现高质量的AlN绝缘栅层,采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀出凹栅槽结构,将MIS结构和凹栅槽结构的优点相结合,研制成功AlGaN/GaN凹栅槽结构MIS HEMT器件,在提高器件栅控能力的同时,降低栅极漏电,提高击穿电压。器件栅长0.8μm,栅宽60μm,测得栅压为+5V时最大饱和输出电流为832mA/mm,最大跨导达到210mS/mm,栅压为-15V时栅极反向漏电为6nA/mm。

关键词： AlGaN/GaN 凹栅槽 AlN mishemt

AlGaN/GaN mishemts with Sodium-Beta-Alumina as the Gate Dielectrics

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Chinese Physics Letters 2013年第2期30卷 169-173页

作者： TIAN Ben-Lang CHEN Chao ZHANG Ji-Hua ZHANG Wan-Li LIU Xing-Zhao The State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices University of Electron Science and Technology of ChinaChengdu 610054

AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistors(mishemts)with sodium beta-alumina(SBA)thin films as the gate dielectrics are ***/GaN metal-semiconductor high-electron-mobility transistors(MESHEMTs)and mishemts with Al_(2)O_(3) thin-film gate dielectrics are also fabricated for comparative *** mishemts with SBA gate dielectrics show nearly four orders of magnitude lower gate leakage current and an approximately 60%increase in maximum transconductance,indicating that SBA can serve as an effective dielectric for AlGaN/GaN ***,SBA gate dielectrics result in threshold voltage modulation of AlGaN/GaN *** with those of AlGaN/GaN MESHEMTs,the threshold voltages of AlGaN/GaN mishemts with Al_(2)O_(3) gate dielectrics shift negatively from-5.5 V to-7.5 *** contrast with the normally used gate dielectrics,the threshold voltages of mishemts with SBA gate dielectrics shift positively from-5.5 V to-3.5 *** on an x-ray photoelectron spectrum study and energy band spectrum calculation,the primary mechanism of the threshold voltage modulation is attributed to the decrease in the surface valence-band maximum and the increase in the barrier height by SBA gate dielectrics.

关键词： AlGaN/GaN mishemt HEMTs

Sodium beta-alumina thin films as gate dielectrics for AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistors

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Chinese Physics B 2012年第12期21卷 335-339页

作者：田本朗陈超李言荣张万里刘兴钊 The State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices University of Electron Science and Technology of China

Sodium beta-alumina （SBA） is deposited on A1GaN/GaN by using a co-deposition process with sodium and Al2O3 as the precursors. The X-ray diffraction （XRD） spectrum reveals that the deposited thin film is amorphous. The binding energy and composition of the deposited thin film, obtained from the X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） measurement, are consistent with those of SBA. The dielectric constant of the SBA thin film is about 50. Each of the capacitance voltage characteristics obtained at five different frequencies shows a high-quality interface between SBA and A1GaN. The interface trap density of metal-insulator-semiconductor high-electron-mobility transistor （mishemt） is measured to be （3.5-9.5）× 10^10 ***-1 by the conductance method. The fixed charge density of SBA dielectric is on the order of 2.7× 1012 cm-2. Compared with the A1GaN/GaN metal-semiconductor heterostructure high-electron- mobility transistor （MESHEMT）, the A1GaN/GaN mishemt usually has a threshold voltage that shifts negatively. However, the threshold voltage of the A1GaN/GaN mishemt using SBA as the gate dielectric shifts positively from -5.5 V to -3.5 V. From XPS results, the surface valence-band maximum （VBM-EF） of A1GaN is found to decrease from 2.56 eV to 2.25 eV after the SBA thin film deposition. The possible reasons why the threshold voltage of A1GaN/GaN mishemt with the SBA gate dielectric shifts positively are the influence of SBA on surface valence-band maximum （VBM-EF）, the reduction of interface traps and the effects of sodium ions, and/or the fixed charges in SBA on the two-dimensional electron gas （2DEG）.

关键词： sodium beta-alumina A1GaN/GaN MESHEMT mishemt

AlGaN/GaN HEMT器件新结构与特性研究

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AlGaN/GaN HEMT器件新结构与特性研究

作者：刘程嗣电子科技大学

学位级别：硕士

功率半导体器件在电力电子、微波通信等领域具有极其广泛的应用,近年来市场对工作频率、耐压能力等性能不断提出新的要求。在硅基器件已逐渐逼近其理论极限的情况下,具有宽禁带、高击穿电场、耐高温、抗辐射等优点的GaN材料具有很大的... 详细信息

功率半导体器件在电力电子、微波通信等领域具有极其广泛的应用,近年来市场对工作频率、耐压能力等性能不断提出新的要求。在硅基器件已逐渐逼近其理论极限的情况下,具有宽禁带、高击穿电场、耐高温、抗辐射等优点的GaN材料具有很大的潜在市场价值。利用AlGaN/GaN异质结存在高密度、高迁移率的二维电子气,可以实现耐压、高频性能均非常优异的HEMT器件。本文通过仿真和实验研究了增强型凹槽栅AlGaN/GaN mishemt的性能和工艺,并进行了栅沉式AlGaN/GaN HEMT新结构的开发,主要内容包括:(1)通过silvaco atlas仿真研究了栅槽刻蚀、栅介质对HEMT性能的影响。随着刻蚀深度增加,HEMT的阈值电压和栅泄漏电流均不断上升。在淀积栅介质形成凹槽栅mishemt结构后,器件栅泄漏电流、最大跨导和饱和电流随着栅介质厚度增加而下降。常规HEMT和凹槽栅mishemt的源漏击穿电压均随着栅漏距离上升而增加,但栅漏距离相等时凹槽栅mishemt具有更大的击穿电压。(2)通过实验制备了凹槽栅AlGaN/GaN mishemt,采用多次低速刻蚀的方式刻蚀了20nm左右的AlGaN层,成功实现阈值电压为1.4V的增强型器件。器件在5V栅压偏置下饱和电流为390mA/mm,导通电阻是15.31?mm。凹槽栅mishemt的栅泄漏电流保持在10mA量级,比常规肖特基栅HEMT小6个量级。提出ICP干法刻蚀栅槽并通过热氧化湿法刻蚀修复刻蚀界面的方法,将器件的导通电阻降为12.43?mm,在5V栅压偏置下饱和电流提升到500mA/mm,器件的最大跨导为170mS/mm,实现了10的开关比。(3)设计并制备了基于钽金属栅沉的AlGaN/GaN HEMT新结构器件,通过对比研究发现退火工艺的退火时间与温度可以对栅沉效应进行调控。450℃温度下退火200s后,器件的阈值电压从-6V上升到-3V左右。器件的阈值电压和栅泄漏电流均会随退火时间和温度的增加而上升,而通过淀积TaNx栅提升肖特基势垒可以进一步提升阈值电压并抑制栅泄漏电流。通过氧气环境中退火制备了热氧化栅沉式AlGaN/GaN mishemt,550℃退火1小时的器件阈值电压达到-2.3V,栅泄漏电流为10mA量级。热氧化在保证栅沉效应进行的同时,将表层Ta金属氧化为TaO高K介质,可以抑制栅泄漏电流。

关键词： AlGaN/GaN 凹槽栅 mishemt 栅沉