T形栅AlGaNGaNHEMT器件关键工艺研究

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1、密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文!理扭趟堡8丛堑丛塾星丛!墨往羞堡王苎班蕴作者姓名：觑值指导教师：堑量堡班宜虽生国科堂睦主昱佳班巍压整挂生班冠虽主冒整堂医坐昱佳班嚣压学位类别：王堂监±学科专业：煎电王堂皇固住鱼王堂研究所：主国叠堂医芏昱往压2013年5月InvestigationofKeyFabricationTechnologiesforT-gateAIGaN／GaNHighElectronMobilityTransistorsByWdYanADissertationSubmittedtoTheUniversity

2、ofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorof】VⅡcroelectronicsandSolid．StateElectronicsInstituteofSemiconductors，ChineseAcademyofSciencesMay,2013关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明

3、本人完全了解中国科学院半导体研究所有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院半导体研究所有权保留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院半导体研究所可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：导师签名：日期：摘要氮化镓(

4、GaN)是目前研究最热门的化合物半导体材料之一。GaN具有禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和漂移速度快等优良特性，是制备高频大功率晶体管的首选材料。使用GaN材料制备的高电子迁移率晶体管器件(HEMT)具有工作频率高、输出功率大、耐高压和耐高温等特点，在通信和电力电子领域都有广泛的应用前景。但是，由于材料生长和器件制备工艺仍不成熟，目前GaN高电子迁移率晶体管的材料优势和器件潜力并没有完全发挥出来。因此，研究和开发出一套高效率，低成本，高重复性和高可靠性的GaNHEMT制备工艺具有重大意义。本论文首先通过分析A1GaN／GaN结构的极化现象，阐明了A1GaN／GaN结构的二维电子气形

5、成机制；从GaNHEMT器件结构出发，重点介绍了GaNHEMT器件在开关和放大两种工作模式下的工作原理和相应的性能表征参数；讨论得出了影响A1GaN／GaNHEMT器件性能的主要因素是栅极对沟道二维电子气浓度的控制能力、二维电子气沟道的导通能力、源漏寄生电阻、栅电容和其他寄生电容等。在理论分析的基础上，对GaNHEMT性能产生重要影响的栅极工艺、欧姆接触工艺和钝化工艺进行了系统的研究和优化，主要成果和贡献列述如下：1．采用电子束曝光和飞秒激光直写，对GaNHEMT的T形栅工艺进行了优化。利用电子束曝光对传统工艺方法进行了改进，制得栅长50nm、宽窄比接近20的T形栅和栅长80nm的A1

6、GaN／GaNHEMT器件。制得器件的漏极电流密度为1．41A／mm，峰值跨导为317mS／mm：电流增益截止频率为74．3GHz，最高振荡频率为112。4GHz。在此基础上，首次应用飞秒激光直写制备了T形栅A1GaN／GaNHEMT器件。首先，利用780nm飞秒激光在正胶上加工出线宽80nm的图形，远超过普通光学光刻的衍射极限；其次，在AIGaN／GaN结构上加工出栅长小于300nm的T型栅结构；最后，制备出栅长380nm的T型栅AIGaN／GaNHEMT，制得器件的最大电流密度为0．5A／mm，峰值跨导为173mS／mm。该方法提供了一种利用纳米光学光刻技术制备微电子器件的新途径。

7、2．通过研究和优化多步退火工艺，提高了GaNHEMT的欧姆接触性能。理论分析并揭示了Ti／Al／N姒u四层金属体系在非掺杂AIGaN／GaN结构上实现欧姆接触的机制。提出在高温退火中，存在n／Al和AIGaN／GaN以及Al和Au的合金反应，这两种反应分别对形成欧姆接触起到帮助和恶化的作用。而多步退火：[艺在高温退火前引入一个过渡阶段，使得正反两种反应机制得以权衡。在此基础上，对多步退火工艺进行了优化，利用优化后的退火r]：艺制备使比接触电阻率