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研究生: 王惠弘
Wang, Hui-Hung
論文名稱: PECVD氮化矽閘極介電層之氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體特性
The Characteristics of AlGaN/GaN MIS-HEMT with PECVD-SiN as Gate Dielectric
指導教授: 黃智方
口試委員: 李傳英
張慈
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 61
中文關鍵詞: AlGaNGaNHEMTMIS
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  • 本篇論文中,利用矽基板上長成氮化鎵/氮化鋁鎵試片製作高電子遷移率電晶體,並以線性元件為主要量測元件,並搭配指叉型元件作電性分析量測,實驗主軸分為兩部分,一種是以三種不同閘極製程在不同磊晶結構上對元件作電性分析,包括蕭基特閘極、金屬-絕緣層-半導體閘極、掘入式金屬-絕緣層-半導體閘極。另一種為相同閘極製程在不同試片上的影響,並比較崩潰表現。
    對於不同閘極製程作電性比較,金屬-絕緣層-半導體閘極元件在飽和電流的表現是最好的,而掘入式金屬-絕緣層-半導體閘極元件與非掘入式比較下確實能將門檻電壓往增強型方向改進。閘極順向與反向漏電量測,金屬-絕緣層-半導體閘極元件較蕭基特閘極的漏電流小了四個級數以上。為了提高總電流大小,多根指叉型元件是較佳的選擇,其最大總電流可達到0.65A,電流密度為201mA/mm。
    崩潰電壓方面,sample A的金屬-絕緣層-半導體閘極元件在基板浮動電位及浸泡在冷卻液中,Lgd=60-µm最高達到2261V,相較於蕭基特閘極最高的崩潰電壓2370V要低,此現象在sample B試片上也有相同情況產生。在漏電方面,金屬-絕緣層-半導體閘極元件相對於蕭基特閘極金屬元件擁有較低的漏電情況,而掘入式閘極元件由於漏電過大,容易達到1mA/mm的漏電崩潰機制,而使崩潰無法超過100V。


    In this study, AlGaN/GaN HEMTs on a silicon substrate were fabricated. The devices of linear type and finger type are measured. There are two main topics in this study. One is to investigate the effects of three different gate structures, including Schottky gate, metal-insulator-semiconductor(MIS) gate, and recessed MIS gate. The other one is to compare the effects of different epi structures.Their breakdown behaviors will be compared
    From the measurement results, among different gate structures,MIS gate devices have the largest saturation current. Compared with MIS gate, the recessed MIS gate devices can shift the threshold voltage from -12.13V to -5V, toward E-mode operation. In the measurement of forward and reverse gate bias, the MIS gate devices show at least 4 order lower gate leakage current than the Schottky gate devices.To enhance the total current, the multiple finger devices have been fabricated. The largest total current of a multiple finger device can achieve 0.65A, which corresponds to 201mA/mm.
    On the breakdown characteristic, the highest breakdown voltage of a Schottky gate device is 2370V on sample A with Lgd=60-μm when the substrate is floating and the devices are tested with fluorinert immersion. However, the MIS gate devices show a lower breakdown voltage of. This phenomenon is also observed on sample B. On the other hand, the recessed MIS gate devices do not sustain more than 100V, because of a much larger gate leakage current.

    目錄 中文摘要 II 英文摘要 III 致謝 IV 目錄 VI圖目錄 VIII 表目錄 IX 第1章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機文獻回顧 2 1.3 研究方向簡介與論文架構 11 1.3.1 研究方向簡介 11 1.3.2論文架構 11 第2章 元件介紹及實驗設計 12 2.1 氮化鋁鎵/氮化鎵材料介紹 12 2.1.1 自發性極化效應 12 2.1.2 壓電性極化效應 12 2.2 基板的選擇 14 2.3 指叉型(Finger type)結構 14 2.4 場平板(Field plate)結構 16 2.5 元件隔離(Isolation)方式 17 2.6 實驗設計 19 2.6.1 試片種類對電性的影響 19 2.6.2 元件尺寸設計 20 第3章 光罩設計及元件製程 23 3.1 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率電晶體設計流程 23 3.2 蝕刻對準記號 23 3.3 歐姆接觸 25 3.4 元件隔離區域 27 3.5 源極/汲極 Pad 28 3.6 沉積表面鈍化層 28 3.7 閘極製作 29 3.8 開源極/汲極Pad 33 第4章 元件量測結果分析 34 4.1 電壓-電流量測分析 34 4.1.1 隔離區漏電流測試 34 4.1.2 TLM測試元件量測 35 4.1.3 蕭基特金屬接面量測 37 4.1.4 不同磊晶結構的電壓-電流特性 39 4.1.5 不同閘極製程的電壓-電流特性 41 4.1.6 順向與逆向偏壓閘極漏電流量測 45 4.1.7 雙指叉型元件電流特性 46 4.1.8 多指叉型元件電流特性 48 4.2 崩潰特性分析 50 4.2.1 線性元件崩潰電壓量測 50 4.2.2 雙指叉型元件崩潰電壓量測 52 4.2.3 元件崩潰電流分析 53 4.3 升溫特性分析 55 4.4 旋轉型元件特性 57 第5章 結論與未來工作 58 參考文獻 59   圖目錄 圖 1.1(a)場平板元件結構圖(b)電場分佈圖[11] 5 圖 1.2多層框架場平板元件結構圖[13] 6 圖 1.3 MOS-HEMT元件結構圖[14] 7 圖 1.4 Fluoride Plasma Treatment元件結構圖[17] 8 圖 1.5 P-type GaN gate contact(a)元件結構圖(b)能帶變化圖[18] 9 圖 1.6 Recessed-Gate MIS-HEMT元件結構圖[20] 10 圖 2.1 (a) Wurtzite結構 (b) 經由自發性極化效應和壓電極化效應影響下所造成的各層極化方向 13 圖 2.2 Two-gate fingers元件示意圖與Metal-Insulator-Metal結構 15 圖 2.3 有無場平板之元件模擬與電場分佈圖 17 圖 2.4 利用TRIM模擬的離子佈植深度及分佈情況 18 圖 2.5 (a)線性元件電流導通區 (b)指叉型元件電流導通區 19 圖 2.6 (a)多根指叉型元件 (b)雙根指叉型元件 (c)線性元件 21 圖 3.1 蝕刻對準記號 25 圖 3.2 RTA升溫曲線 26 圖 3.3 歐姆金屬製作 26 圖 3.4 隔離區域製做 27 圖 3.5 表面鈍化層製做 29 圖 3.6 蕭基特閘極製作 31 圖 3.7 金屬-絕緣層-半導體閘極製作 32 圖 3.8 掘入式金屬-絕緣層-半導體閘極製作 32 圖 3.9 蕭基特閘極元件剖面圖 33 圖 4.1 離子佈植漏電流特性圖 35 圖 4.2 TLM元件量測結果 36 圖 4.3蕭基特閘極金屬特性量測 38 圖 4.4 線性元件完成圖 40 圖 4.5 同尺寸不同試片的Id-Vg圖 40 圖 4.6 線性元件Id-Vd曲線圖 41 圖 4.7 蕭基特閘極與金屬-絕緣層-半導體閘極Id-Vg電流特性 43 圖 4.8 金屬-絕緣層-半導體閘極Id-Vd電流特性 43 圖 4.9 掘入式與非掘入式金屬-絕緣層-半導體閘極Id-Vg電流特性 44 圖 4.10 掘入式金屬-絕緣層-半導體閘極Id-Vd電流特性 44 圖 4.11 線性元件的導通電阻對Lgd的特性 45 圖 4.12 順向與反向偏壓閘極漏電流量測 46 圖 4.13 雙指叉型元件完成圖 47 圖 4.14 雙指叉型元件中通道寬度對於汲極飽和電流的影響 47 圖 4.15 雙指叉型元件中閘極到汲極長度對導通電阻之影響 48 圖 4.16 不同閘極製程下sample a所量測的崩潰電壓 51 圖 4.17 不同閘極製程下sample b所量測的崩潰電壓 52 圖 4.18 不同通道寬度量測崩潰電壓 53 圖 4.19 不同閘極製程下(sample A)的漏電曲線 54 圖 4.20 不同閘極製程下(sample B)的漏電曲線 55 圖 4.21 不同溫度下的Id-Vd電性圖 56 圖 4.22 不同溫度下的Id-Vg電性圖 56 圖 4.23 不同電流流向之汲極電流密度 57 表目錄 表 1.1 材料特性比較表[2] 2 表 2.1基板材料比較表 14 表 2.2 離子佈植所選用的能量及濃度 18 表 2.3 二種試片的基本材料參數比較 20 表 2.4 指叉型元件尺寸設計 22 表 2.5 線性元件尺寸設計 22 表 2.6 旋轉線性元件尺寸設計 22 表 4.1 接觸電阻與片電阻計算結果 36 表 4.2 蕭基特閘極位能障與理想因子 37 表 4.3 多根指叉型元件總電流大小 49 表 4.4 電流乘積倍率 49

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