增強型高壓AlGaN-GaN HEMTs器件的場優(yōu)化技術(shù)及關(guān)鍵工藝研究.pdf

1、Ⅲ-Ⅴ族化合物材料氮化鎵相比于硅材料具有更大的禁帶寬度、更高的擊穿場強，是第三代半導(dǎo)體材料中的杰出代表。不同于傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體器件，基于氮化鎵材料的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管，利用氮化鎵異質(zhì)結(jié)中的極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)界面獲得具有高電子濃度、高電子遷移率以及高飽和電子漂移速度的橫向電子溝道實現(xiàn)器件的導(dǎo)通。這些優(yōu)異的電學(xué)特性決定了AlGaN/GaN HEMTs器件在高頻、高壓以及高功率密度的功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域存在巨大的產(chǎn)業(yè)潛力。盡管A

2、lGaN/GaN HEMTs在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域具有廣泛的產(chǎn)業(yè)前景，但現(xiàn)階段應(yīng)用在電力電子器件領(lǐng)域的AlGaN/GaN HEMTs仍存在著諸多技術(shù)性問題。由于平面型結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMTs需要通過橫向的漂移區(qū)來承受器件的阻斷耐壓，因而如何通過電場優(yōu)化，使器件在有限的漂移區(qū)長度內(nèi)實現(xiàn)高耐壓，是AlGaN/GaN HEMTs器件設(shè)計中的重要課題。為此，全球科研與產(chǎn)業(yè)界提出了一系列基于電場優(yōu)化調(diào)制的結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化設(shè)計。但迄今為止，國內(nèi)

3、外學(xué)者對于AlGaN/GaN HEMTs的耐壓優(yōu)化結(jié)構(gòu)缺乏較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬與理論分析，因而對于高壓AlGaN/GaN HEMTs的產(chǎn)業(yè)化推廣具有較低的實際指導(dǎo)價值。同時，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)存在天然導(dǎo)電二維電子氣溝道，造成傳統(tǒng)AlGaN/GaNHEMTs具有耗盡型(Depletion-Mode)的器件開關(guān)特性。因而如何實現(xiàn)與傳統(tǒng)電力電子器件柵極驅(qū)動系統(tǒng)相兼容，且具有一定正閾值電壓的增強型(Enhancement-Mode)Al

4、GaN/GaN HEMTs器件，是AlGaN/GaNHEMTs被傳統(tǒng)電力電子行業(yè)廣泛接受的先決條件。盡管國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列實現(xiàn)增強型AlGaN/GaNHEMTs的結(jié)構(gòu)和工藝方法，但現(xiàn)有的增強型AlGaN/GaNHEMTs實現(xiàn)方案均未能滿足產(chǎn)業(yè)界對于穩(wěn)定、低成本，且具有高閾值電壓的增強型器件的需求。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過數(shù)值分析軟件建立氮化鎵AlGaN/GaN肖特基二極管(SBD，Schottky BarrierDio

5、de)的二維仿真模型。引入優(yōu)化的單層陽極場板與溝道下方的Mg摻雜(MagnesiumDoped)電荷補償層相結(jié)合，通過調(diào)整陽極場板的尺寸參數(shù)與Mg摻雜層的濃度與厚度參數(shù)，使器件在反向耐壓時對二維電子氣溝道以及體區(qū)內(nèi)的可移動電子充分耗盡，并對器件的表面橫向電場與體內(nèi)縱向電場分布進行二維優(yōu)化調(diào)制。實驗中，采用高度T=0.5μm，長度L=3μm的陽極金屬場板與厚度TP=0.28μm，摻雜濃度為NP=1×1017 cm3的Mg摻雜層的AlGaN

6、/GaN SBD，在10.5μm的漂移區(qū)長度上獲得1.8 kV的反向耐壓，相比于無電場優(yōu)化傳統(tǒng)器件的350V的反向耐壓，提高了4倍;相比僅采用優(yōu)化陽極金屬場板器件1.2 kV的反向耐壓，提高了50％。⑵提出了基于漏極金屬界面優(yōu)化與表面電場調(diào)制機理的新型肖特基/歐姆混合金屬的漏極結(jié)構(gòu)。通過將傳統(tǒng)的歐姆接觸漏極金屬替換為肖特基/歐姆接觸混合漏極金屬，實現(xiàn)了器件阻斷狀態(tài)下漏極泄漏電流的有效抑制和器件耐壓的顯著提升。采用優(yōu)化的肖特基/歐姆接觸混

7、合漏極金屬的AlGaN/GaN HEMTs在9μm的漂移區(qū)上獲得了855 V的阻斷耐壓，相比于采用傳統(tǒng)歐姆漏極金屬的同尺寸HEMTs器件的450 V阻斷耐壓，提高了90％。進一步對優(yōu)化后器件的泄漏電流抑制機理進行研究，并通過物理模型與二維TCAD仿真進行表征與驗證。⑶提出了在硅基氮化鎵外延上通過高溫?zé)嵫趸臇艠O凹槽刻蝕方法，獲得具有較高閾值電壓的增強型氮化鎵MOS-HEMT器件。該方案利用氮化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的上下兩層材料氧化反應(yīng)的溫度條件

8、差異，在氧氣環(huán)境中選擇性地對AlGaN勢壘層進行完全氧化，并使氧化反應(yīng)自發(fā)停止于AlGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)界面位置。實驗中，采用該方案的氮化鎵MOS-HEMTs器件最終獲得了+2.5V的閾值電壓，+10V的柵極擺幅與200 mA/mm的最大輸出電流。同時，針對熱氧化方法實現(xiàn)的硅基氮化鎵MOS-HEMT器件工藝中存在的柵極凹槽刻蝕底部不均勻現(xiàn)象進行方案優(yōu)化。將用于腐蝕AlGaN氧化生成物的KOH溶液替換為TMAH有機堿性溶液，利用其對Al

9、GaN材料特有的側(cè)向腐蝕機理，有效降低由于熱氧化不均勻造成的柵極凹槽底部粗糙現(xiàn)象，從而獲得具有高質(zhì)量MOS界面的硅基氮化鎵MOS-HEMT器件。采用該優(yōu)化方案的硅基氮化鎵MOS-HEMT，具有+2.5V的閾值電壓和低于0.2 V的轉(zhuǎn)移特性偏移，相比于未優(yōu)化方案器件的0.9 V偏移量，降低了77％。同時由于優(yōu)化后的MOS柵極凹槽具有更致密的氧化絕緣層覆蓋，有效抑制了柵極泄漏電流，因而使器件在14μm的漂移區(qū)獲得了930 V的擊穿電壓，相比

10、未優(yōu)化器件的580 V，提升了60％。⑷針對硅基氮化鎵熱氧化工藝中由于氧化反應(yīng)各向異性較差而產(chǎn)生的柵極凹槽鋸齒邊緣現(xiàn)象，提出了基于KOH與H2O2混合溶液的柵極凹槽單步濕法刻蝕工藝。該方案中，通過混合溶液中同步進行的H2O2對AlGaN勢壘層的氧化反應(yīng)與KOH對氧化生成物的濕法腐蝕，自發(fā)實現(xiàn)了對AlGaN勢壘層的不斷刻蝕。通過對反應(yīng)速率的精確控制，最終獲得了具有良好刻蝕界面和刻蝕邊緣的MOS柵極凹槽形貌。采用該方案制備的硅基氮化鎵MOS