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GaN异质结双极晶体管及相关基础研究

龚欣  
【摘要】: 宽禁带GaN材料由于其优良的电特性和材料特性在大功率微波和毫米波器件应用领域引起了广泛关注。本文主要关注氮化物基异质结双极晶体管(HBT)及其相关技术。由于Ⅲ-V族氮化物HBT优良的器件线性度和高温高功率特性,它被认为是未来的一种理想器件。虽然GaN材料在高频高功率应用领域很有优势,但是无论从理论上还是实验上,都还需要克服一系列难题。目前对GaN基电子器件特别是GaN HBT的研究还处于初级阶段,器件工作的很多机理还没有定论。本文正是在这种背景下,针对目前GaN HBT研究中存在的问题从理论和实验两个方面进行了探索。 论文首先介绍了异质结双极晶体管的基本理论。详细描述了半导体异质结的能带图、空间电荷区的电势电场分布及其载流子的输运,采用热电子发射和扩散模型相结合的思想推导了非平衡突变异质结界面处准费米能级的断续,以及适用于异质结的Shockley边界条件。并在此基础上给出了理想突变异质结及异质结双极晶体管的伏安特性。 器件模拟为器件设计指明了方向,对器件的研制具有非常重要的指导作用。因此,论文在模拟器Atlas上搭建了GaN HBT器件模拟平台,对GaN HBT器件进行了数值模拟。研究了极化效应和发射区渐变对GaN HBT器件特性的影响。结果显示:对于Ga面向上的材料,极化效应对器件特性影响不大,而发射区组分渐变可以消除导带尖峰,提高电子的注入效率。详细讨论了GaN HBT纵向设计(发射区、基区和集电区设计)中要注意的问题。 GaN器件不同于硅半导体器件,它的材料层的掺杂都是原位的,因此对于GaN器件来说,材料生长是关键环节。本文详细介绍了GaN HBT材料生长的工艺流程,对所生长出的材料特别是p型GaN材料进行了微分析。结果表明:我们生长的p型GaN材料有较好的结晶质量和电特性,Ga(Mg)/N比为1.106,缺陷密度约为3×1018cm-2。 GaN HBT制作中,已刻蚀p型GaN表面金属接触的非欧姆特性是严重影响器件特性的因素。论文针对此问题重点对刻蚀表面的p型欧姆接触进行了研究。方面优化刻蚀条件获取低刻蚀损伤的p型基区刻蚀表面;另一方面还摸索了修复并降低刻蚀损伤的方法。 论文对研制GaN HBT的核心问题进行研究。给出了GaN HBT的器件版图,进行了CB结二极管的制作和特性分析,二极管的导通电压约为4V,反向击穿电压大于50V;给出了GaN HBT器件的详细工艺流程,对GaN HBT器件进行了试制,并对其进行了测试分析。分析表明,p型基区未能很好的掺杂、基区太薄以及工艺中的过刻蚀、Mg的记忆效应及高温下的扩散会造成器件IC-VCE曲线呈现电阻特性。 此外,利用本文建立的器件仿真平台,论文还对SiCOI (SiC On Insulator) MESFET器件进行了研究,提出了一种可以大大提高器件击穿电压的新型器件结构——介质槽隔离结构,并对其进行了优化,发现多台阶介质槽阻断结构是一种更好的器件结构,可以在不影响器件其他特性如频率特性的基础上,大大提高器件的击穿电压。


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