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GaN基材料是当前发展高温、高频和大功率应用电子器件的重要材料,AlGaN/GaN异质结器件及其制备技术引起了人们极大的兴趣。本文重点讨论了具有高反向击穿电压和低正向导通电压的AlGaN/GaN异质结整流器件的设计和制作。
为开展本项研究工作,首先设计并制作了一系列适用于宽禁带半导体器件研制所需的关键设备,主要包括高密度等离子体化学气相淀积系统、高密度等离子体反应离子刻蚀系统、超高真空磁控溅射靶、多功能溅射系统和终端霍尔型离子源等。本文详细讨论了设备制作的原理及设计方法。在设备的研制过程中,共申请了四项发明专利。
本文研究了GaN基器件制备过程中的清洗、光刻、刻蚀、淀积、溅射和剥离等关键工艺,并给出了最佳的实验参数和结果。
本文讨论了在非故意掺杂AlGaN/GaN异质结上制作高质量欧姆接触和肖特基接触的方法。在非故意掺杂AlGaN/GaN异质结材料上制作的Ti/Al/Ni/Au欧姆接触电极,经900℃30秒退火后,欧姆接触电阻率达5.85×107Ωcm2。在非故意掺杂AlGaN/GaN异质结材料上制作的Ni/Au肖特基接触势垒高度为1.08eV,理想因子为1.53。经400℃1小时热处理后,理想因子降低至1.219。
成功设计并制作了带有场板结构的AlGaN/GaN异质结整流器件。为了改进AlGaN/GaN异质结二维电子气的输运特性,用自洽方法求解了泊松方程和薛定谔方程。理论计算表明二维电子气输运特性取决于AlGaN层中的Al组分。在优化二维电子气输运性能的基础上,研制了带有场板结构的横向AlGaN/GaN异质结整流器件。当肖特基接触电极直径为60μm,肖特基接触电极和欧姆接触电极间距为60μm时,整流器件的反向击穿电压达1675V,正向导通电压为1.23V,相应的开态电阻为13 mΩcm2,功率优化指数为216MWcm-2。同时对器件高温应用性能进行了测试,当使用NiSi或WSi制作的肖特基接触电极时,器件经受600-700℃1小时的热处理后仍保持相对稳定。结果表明,对于制作高温条件下可稳定工作的器件,难熔金属硅化物是一种较为理想的制作肖特基接触材料。