GaNMOSFET器件研究课件.ppt
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- GaNMOSFET 器件 研究 课件
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1、GaN基 MOSFET器件的研究 报告人:刘艳 2012年12月1ppt课件内容1.GaN材料2.MOSFET器件3.GaN MOSFET器件制作工艺介绍4.MOSFET器件参数5.GaN MOSFET器件研究现状及存在的问题2ppt课件材料SiGaAsSiCGaN禁带宽度 Eg(eV)1.121.423.253.4相对介电常数 r11.812.89.79热导率(W/cmK)1.50.54.92.3击穿电场(MV/cm)0.30.434电子迁移率 (cm2/Vs)1500850070010002000饱和漂移速度 vsat(107 cm/s)(峰值)1123最大工作温度 T()30030060
2、0700GaN材料 1.GaN材料的基本特性 表 几种常见半导体材料的主要参数:三种晶体结构:立方闪锌矿3C型结构(相)、六角纤维锌矿2H型结构(相)和面心立方结构(NaCl结构)纤锌矿结构(六方相,a 相),闪锌矿结构(立方相,b相)和岩盐结构3ppt课件图1 纤锌矿GaN 各个不同方向的透视图2.纤锌矿GaN 图2 Ga面和N面GaN晶格结构图4ppt课件图3 闪锌矿结构 3.GaN材料的晶格常数AlGaN,InGaN,InAlN,GaNP三元化合物如AlxGa1-xAs的晶格常数一般可以表示为:a(x)=xa(AlAs)+(1-x)a(GaAs)5ppt课件一.MOSFET结构GSiO2
3、BSDtox图4 MOSFET结构1)结构SGDB2)符号3)基本参数沟道长度 L(跟工艺水平有关)沟道宽度 W栅氧化层厚度 tox MOSFET器件6ppt课件2.MOSFET分类耗尽型耗尽型P沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道增强型增强型N沟道沟道N沟道沟道(耗尽型)(耗尽型)FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)耗尽型耗尽型:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在:场效应管没有加偏置电压时,就有导电沟道存在增强型增强型:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道:场效应管没有加偏置电压时,没有导电沟道场效应管的分类:场效应管的分类:P沟道沟道7ppt课
4、件二.MOSFET器件涉及的物理机制图5 GaN n-MOSFET结构示意图PN结欧姆接触肖特基接触MIS结构掺杂主要包括衬底层的生长;源漏区的掺杂;栅介质层的选取;器件隔离;欧姆接触和栅极肖特基接触等。8ppt课件(a)(b)N型半导体 P型半导体 1.P-N结结 图6 p-n结漂移,扩散9ppt课件2.肖特基接触肖特基接触图7 能带图10ppt课件3.欧姆接触欧姆接触3.1 隧道效应 11ppt课件3.2 小结 图8 能带图图9 金属跟n型半导体接触12ppt课件4.MIS结构结构图10 能带图1.GaN材料13ppt课件5.掺杂掺杂掺杂(掺杂(dopingdoping):将一定数量和一定
5、种类的杂质掺入材料中,并获得精确的杂质分布形状(doping profile)。掺杂应用:MOSFET中阱、栅、源/漏、沟道等;BJT中基极、发射极、集电极等B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTNMOS图1114ppt课件基本概念:基本概念:结深 xj(Junction Depth);薄层电阻 Rs(Sheet Resistance);杂质固溶度(Solubility)目的:目的:改变晶片电学性质,实现器件和电路纵向结构。方式:方式:扩散(diffusion)、离子注入(ion implantation)、合金、中子嬗变。图1215ppt课件晶片器件作用杂质硅双极型晶体管及其IC隐埋区
6、Sb,As隔离区B,Al基区B,P发射区P,As,P-As,B电阻B:P开关管及高速IC 提高开关速度Au,PtMOS晶体管及其IC源、漏、沟道、阱B:P,As砷化镓MIS IC,结型场效应晶体管及其IC半绝缘区H,O,Cr源、漏Zn,Be:S,Si,Sn锗pnp管集电区、发射区In-Ga,Al掺入的杂质是电活性的,能提供所需的载流子,使许多微结构和器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3,最低1013 atoms/cm316ppt课件离子注入 在半导体领域,引入杂质的方法主要有:扩散、外延生长和离子注入。由于GaN稳定的化学性质使扩散需要较高的温度和较长的时间,所以扩散法掺
7、杂不具有实用价值。外延生长掺杂,受材料的溶解性以及外延生长过程的选择性影响较大,且含量不易控制,灵活性较差。离子注入的基本过程v 将某种元素的原子或携带该元素的分子经离化变成带电的离子v 在强电场中加速,获得较高的动能后,射入材料表层(靶)v 以改变这种材料表层的物理或化学性质源(源(SourceSource):):气体源,如 BF3,BCl3,PH3,AsH3 Ar,GeH4,O2,N2等。如用固体或液体做源材料,一般先加热,得到它们的蒸汽,再导入放电区。离子源(离子源(Ion SourceIon Source):):灯丝(filament)发出的自由电子在电磁场作用下,获得足够的能量后撞击
8、源分子或原子,使它们电离成离子,再经吸极吸出,由初聚焦系统聚成离子束,射向磁分析器.B,As,Ga,Ge,Sb,P17ppt课件GaN MOSFET器件制作工艺介绍1.主要工艺流程 GaN MOSFET器件的结构如图13所示。器件设计在厚度为2m的p型GaN材料上,以Mg作为受主杂质(杂质非完全电离,Mg的电离能为170meV),浓度量级范围内,栅极氧化层厚度(选用SiO2作为栅介质)为10-100nm,栅长取值范围为0.8m-5m之间,n+漏源区的掺杂浓度,电极间距离Lgd=Lgs为0.5-3m。在模拟过程中,GaN的电子迁移率n设置。图13 GaN n-MOSFET结构示意图GaN主要工艺
9、流程:(1)在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延(HVPE)生长GaN外延;(2)采用低压化学气相淀积(LPCVD)在GaN上淀积栅介质层SiO2,淀积温度为900;(3)淀积0.5m SiO2做保护层,进行离子注入Si形成源漏重掺杂;(4)离子注入完成后,对器件进行快速热退火,消除晶格损伤并激活杂质;(5)淀积形成源漏区接触和栅极接触。18ppt课件2.主要工艺介绍2.1在蓝宝石衬底上使用氢化物气相外延(HVPE)生长GaN外延1)蓝宝石衬底 GaN 外延最常用的衬底是蓝宝石(-Al2O3),其结构为六方结构和斜方结构,如图18所示。蓝宝石具有高温下(1000)化学稳定,容易获得大尺寸,以及价格
10、便宜等优点。缺点是它与GaN 之间存在着较大的晶格失配和热膨胀失配,大的晶格失配导致在GaN 外延层中产生很高的位错密度,高的位错密度降低了载流子迁移率和少数载流子寿命,降低了热导率;热失配会在外延层冷却过程中产生应力,导致裂纹的产生,最终降低产品性能。(a)(b)图14 蓝宝石晶胞透视图(a)六方晶胞中沿0001晶向;(b)斜方晶胞中沿0001晶向19ppt课件A.晶格匹配B.临界层厚度 在异质外延生长时,应变能是随着外延层厚度增加而增加,通常把外延层即将释放应变能形成失配位错时的厚度称为临界层厚度。计算临界层厚度的模型有:PB模型,Fisher模型和Matthews模型 20ppt课件2)
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