gan基mos二极管界面特性研究

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1、分类号密级硕士学位论文题目：GaN基MOS二极管界面特性研究英文并列题目：ResearchoninterfacecharacterizationofGaN-basedmetal-oxide-semiconductordiode研究生：黄宇专业：微电子学与固体电子学研究方向：器件物理、工艺、材料导师：顾晓峰指导小组成员：闫大为学位授予日期：2016年6月答辩委员会主席：张曦煌江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一六年六月摘要摘要宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有高击穿电场、高饱和电子速率、高电子迁移率和高热稳定性

2、等优越的物理特性，是制备高电子迁移率晶体管(HEMT)的理想材料。近十几年来，得益于材料生长和微加工技术的进步，GaN基HEMT的电学性能逐渐提高，但受势垒层表面缺陷电子捕获效应的限制，器件常呈现显著的电流崩塌现象。研究表明，在半导体表面淀积钝化层(如Al2O3)能有效抑制GaN基HEMT的电流崩塌效应，减小栅极漏电流，实现器件的增强型工作模式。但Al2O3与GaN界面处存在大量缺陷态，降低了Al2O3的钝化作用。因此，正确表征界面缺陷态能级分布，改善钝化效果，提高界面质量，具有重要的科学意义和应用价值。但是，对于

3、宽禁带半导体，受极大的电子发射时间常数和极低的少子热产生速率限制，传统的变频电容法和电导法常常无法有效表征Al2O3/GaN界面的深能级缺陷态分布，因此，发展新的表征技术对研究宽禁带半导体深能级界面缺陷具有重要意义。论文首先介绍了GaN材料的基本特性和影响GaN基HEMT性能的物理问题，分析了介质层/宽禁带半导体结构界面缺陷态表征方法的研究现状；接着使用原子层沉积(ALD)技术制备了Ni/Au/Al2O3/n-GaNMOS结构，最后基于与传统方法不同的物理思想，对Al2O3/n-GaN界面的深能级缺陷态进行了表征分

4、析。具体而言，开展了下列研究工作。第一部分，利用ALD技术制备了透明电极Ni/Au/Al2O3/n-GaNMOS结构，基于深能级被陷电子能被光生空穴复合的事实，采用变波长光辅助电容-电压(C-V)法表征了Al2O3/n-GaN界面深能级缺陷态的平均分布值，研究了积累区出现频率散射行为的原因。实验结果表明：室温下样品的电容曲线表现出深耗尽行为，归因于GaN中少子产生速率极低，无法跟上直流偏压的扫描速度和半导体表面势的变化速度而持续向中性区耗尽。界面缺陷电荷能够与半导体发生载流子交换，引起电容曲线沿电压方向延伸。在忽略

5、氧化层内部缺陷的情形下，计算出Al2O3/n-GaN界面处的深能级缺陷态密度分布值量12-2-1级为10cmeV。积累区出现频率散射现象可能有两种原因，一方面是氧化层边界缺陷电荷能与半导体发生载流子交换，另一方面是在氧化层厚度较薄的情况下界面缺陷电荷与金属发生载流子交换。第二部分，在水银探针台上采用背入射紫外光的光辅助高频C-V法研究了Al2O3/n-GaN的电容特性，测试和分析了样品的光时间响应特性。实验结果表明：光照后电容曲线发生平移和畸变，说明系统中引入了大量正电荷，且深能级界面态的电学状11-2态发生改变。

6、计算出氧化层边界缺陷电荷密度为3.95×10cm，表征出Al2O3/n-GaN界12-2-1面处深能级缺陷态的衰减分布：靠近导带处存在最大值，约为2.5×10cmeV；然后10-2-1迅速衰减，在导带底以下0.8eV处降到约9×10cmeV。光照前后样品电容发生变化主要是由于光生空穴复合了界面缺陷态，引起表面势变化，改变了空间电荷区的宽度，从而影响了电容变化。关键词：Al2O3/n-GaNMOS结构；原子层沉积；电容特性；界面缺陷态IAbstractAbstractDuetoitssuperiorphysicalp

7、ropertiessuchashighbreakdownfield,largesaturationelectronvelocity,highelectronmobilityandgreatthermalstability,thewidebandgapsemiconductorgalliumnitride(GaN)becomesanidealmaterialforfabricatinghighelectronmobilitytransistors(HEMTs)workingunderhigh-powerandhigh

8、-frequencyconditions.Overthelastdecades,benefitingfromthedevelopmentofmaterialgrowthandmicro-processingtechnologies,theelectricalpropertiesofGaN-basedHEMThavebeengraduallyimproved.