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基于激光退火欧姆接触工艺的AlGaN/GaN HEMT器件研究

侯明辰  
【摘要】:作为第三代半导体材料中的杰出代表,氮化镓材料相比于硅材料具有更大的禁带宽度和更高的击穿场强,可广泛应用于LED照明、5G通讯、电动汽车和消费类电子充电器等领域,已经成为国际半导体领域的重点研究方向之一。不同于传统硅基功率器件,基于氮化镓材料的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT),通过氮化镓材料的极化效应,在AlGaN/GaN异质结界面积累二维电子气进而形成横向导电沟道。导电沟道中的二维电子气具有高电子迁移率等优异的电学特性,使得AlGaN/GaN HEMT器件在高频和高功率的功率器件领域具有广泛的应用前景。虽然AlGaN/GaN HEMT器件在高频和高功率的功率器件领域存在巨大的应用潜力,但目前AlGaN/GaN HEMT器件仍存在着诸多科学问题和技术性难点。针对AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触传统制备方案中存在的金属表面粗糙和外延材料高温热损伤等问题,全球学术与产业界提出了一系列改进方案。这些方案绝大部分需要对非掺杂的AlGaN/GaN异质结结构进行重构,引入额外的工艺步骤。复杂的工艺流程会增加器件的制备成本,同时可能损伤器件的综合电学性能。另外,作为AlGaN/GaN HEMT器件的关键特性,击穿电压与动态电阻性能的优化一直以来也是学术与产业界共同研究的重点。国内外学者提出了包括材料生长、器件设计和工艺研发等在内的多种优化方案。但对器件关键特性的优化往往会聚焦于特定方案对某种关键特性的提升,而忽略了AlGaN/GaN HEMT器件制备过程中的关键工艺,例如欧姆接触退火工艺对器件整体特性的影响。本文针对现有AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触传统制备方案中所存在的问题提出了改进方案,基于改进的欧姆接触制备方案对器件的关键特性进行研究,最终实现了可以兼容硅基器件生产线的高可靠性器件的研制,主要内容为:(1)本文提出了一种基于激光退火工艺在非掺杂AlGaN/GaN异质结上制备欧姆接触的方案,实现了平坦的欧姆金属表面形貌和平整的欧姆接触界面。通过设计激光退火实验和搭建激光退火设备,验证了基于激光退火工艺制备欧姆接触方案的可行性。利用激光退火工艺能量密度高和区域性退火的优势,解决了传统制备方案中存在的金属表面粗糙和外延材料高温热损伤等问题。对基于激光退火工艺制备的欧姆接触金属表面形貌进行原子力显微镜的观测,结果表明激光退火工艺相比传统快速热退火工艺,欧姆金属表面形貌得到明显改善。同时,借助电学测试、透射电子显微镜和X射线能谱分析等表征方法,研究了基于激光退火工艺制备欧姆接触的电流导通机理。(2)本文基于激光退火欧姆接触工艺制备了AlGaN/GaN HEMT器件,实现了器件击穿电压和动态电阻性能的提升,并揭示了器件性能提升的机理。采用基于激光退火工艺制备AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触的方案,相比传统快速热退火工艺,抑制了欧姆接触界面金属尖刺的形成,进而降低了器件处于高压阻断状态下,源漏端的泄漏电流,因此器件的击穿电压得以提升。采用激光退火工艺制备的AlGaN/GaN HEMT器件在栅漏电极间距为5μm时,器件的击穿电压为442V,相比采用传统快速热退火工艺制备的器件322V击穿电压提升了37.3%。同时,在AlGaN/GaN HEMT器件动态电阻测试中,激光退火器件在漏极电压为200V时,动态电阻与静态电阻的比值只有1.35倍,相比快速热退火器件在漏极电压为125V时,动态电阻与静态电阻的比值为8.66倍,有明显改善。本文还通过X射线光电子能谱进一步对激光退火器件动态电阻特性改善机理进行了研究。(3)本文提出了一种基于激光退火工艺制备AlGaN/GaN HEMT器件无金欧姆接触的方案,设计了基于无金工艺的AlGaN/GaN HEMT器件制备工艺流程,实现了可以兼容硅基器件生产线的高可靠性器件的研制。在氮化镓器件逐渐进入商业化规模量产阶段的背景下,为了降低氮化镓器件制备成本,本文对可以兼容硅基器件生产线的无金工艺展开研究。针对目前通过减薄Al Ga N势垒层厚度来实现无金欧姆接触的方案,存在蚀刻精度和蚀刻均匀性不易控制等问题,本文提出了基于激光退火工艺制备AlGaN/GaN HEMT器件无金欧姆接触的方案,并研究了不同无金工艺方案下制备欧姆接触的电流导通机理。本文进一步设计了基于无金工艺的AlGaN/GaN HEMT器件制备工艺流程,制备了基于无金工艺的AlGaN/GaN HEMT器件,针对传统高温退火对器件的隔离区和有源区的影响展开研究。为激光退火工艺在氮化镓器件商业化规模量产中的应用提供了一种新的思路。


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