使用LiNbO3作為柵介質(zhì)層的高電子遷移率晶體管研制.pdf

1、隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和世界范圍內(nèi)對環(huán)境問題、能源問題的關(guān)注,電子信息系統(tǒng)需要器件能以更低的能耗、更小的體積、更快的速度運(yùn)行,導(dǎo)致了電子元器件的發(fā)展趨勢是集成化、微型化。在電子元器件中,AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)是近來研究的熱點(diǎn),在數(shù)字電路等領(lǐng)域,需要設(shè)計(jì)增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT,本文使用 LiNbO3(LN)鐵電薄膜作為柵介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)LN/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)型 HEMT。HEMT在單片集成電路和

2、高速數(shù)字集成電路領(lǐng)域中非常有競爭力,其同時(shí)具有優(yōu)異的功率性能和低噪聲性能,而AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是目前為止HEMT器件中最重要的材料體系。與Si基及GaAs基器件相比, AlGaN/GaN HEMT的輸出功率可以提高一個(gè)量級。在高頻開關(guān)、數(shù)字電路領(lǐng)域,增強(qiáng)型HEMT可以降低電路的成本和復(fù)雜性,提高電路的安全性,簡化電路結(jié)構(gòu)。LN是一種具有優(yōu)良表面聲波性質(zhì)的鐵電材料,其自發(fā)極化可以對 AlGaN/GaN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的2DEG進(jìn)行消耗

3、,以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT。LN非常適合與GaN類半導(dǎo)體集成,一是LN具有與GaN類半導(dǎo)體相似的晶格結(jié)構(gòu);二是LN晶體具有很大的自發(fā)極化強(qiáng)度,達(dá)到70-80μC/cm2;三是LN晶體僅具有180°電疇結(jié)構(gòu),是一維鐵電體材料,僅在c軸方向上具有鐵電極化,有利于增強(qiáng)LN對AlGaN/GaN半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中載流子的消耗作用。本文對GaN基片上LN薄膜的生長工藝進(jìn)行了探索,并設(shè)計(jì)了HEMT器件結(jié)構(gòu),使用掩膜層刻蝕柵極圖形制作器件,成功實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型LN

4、/AlGaN/GaN HEMT。
　　1.探索出了使用脈沖激光沉積(PLD)生長LN薄膜的優(yōu)化工藝參數(shù),調(diào)整了實(shí)驗(yàn)中的脈沖激光能量,脈沖激光頻率,生長溫度,氧氣壓和薄膜厚度等工藝參數(shù),得到了結(jié)晶質(zhì)量良好、在GaN基片上外延生長的LN薄膜,LN薄膜與GaN的外延關(guān)系為[10-10]LN//[1-2-10]GaN,[1-100]LN//[11-20]GaN。各項(xiàng)測試顯示LN/GaN集成薄膜具有良好的質(zhì)量。
　　2.分析HEMT器

5、件各結(jié)構(gòu)隔離效果之后,使用隔離效果良好且工藝復(fù)雜度適中的環(huán)形柵作為柵極結(jié)構(gòu)。
　　3.使用電子束蒸發(fā)生長出了源漏歐姆電極,電極使用四層金屬結(jié)構(gòu):Ti(20nm)/Al(50nm)/Ti(40nm)/Au(100nm),之后對基片進(jìn)行快速退火處理,N2氣氛中850℃退火30s。
　　4.為了解決光刻膠無法刻蝕 LN薄膜的問題,設(shè)計(jì)使用掩膜層圖形化柵極區(qū)域。使用MgO材料作為刻蝕柵極圖形的掩膜層。實(shí)驗(yàn)中為了便于刻蝕MgO掩膜,使