蓝宝石基GaN HEMT器件隔离工艺的优化设计开题报告

1. 研究目的与意义

随着社会的发展，预计在未来20年内，电力消耗将占使用能源的60 %[1]。硅基电力电子器件，如绝缘栅双极晶体管（igbts）和超结型金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet），在控制电力方面发挥了主导作用[2]。随着高功率密度能力的不断需求，效率提高的高频变换器，以及未来电力电子应用的小尺寸和低成本的需要，传统的基于si的器件正进入其物理极限。

氮化镓（gan）和相关的宽禁带半导体合金被认为是下一代高功率和高频电子器件的候选材料[3]。gan基器件的击穿场和漂移速度较高，在高压和温度下会产生较低的损耗。优越的性能不仅源于gan本身的这些固有材料特性，而且与基于algan/gan异质结构的器件技术有关[4, 5]。由于在algan/gan界面形成的二维电子气体（2deg）的高迁移率，一种称为异质结场效应晶体管（hfet）的横向器件，也称为高电子迁移率晶体管（hemt），为功率开关和射频（rf）的应用提供了巨大的潜力[6, 7]。到目前为止，gan基材料通常是通过金属-有机化学气相沉积（mocvd）在si、蓝宝石和碳化硅（sic）的外部衬底上生长的异质外延材料[8, 9]。此外，gan器件可以与成熟的硅cmos工艺流程相兼容，能进一步降低大批量生产的加工成本。对于电力电子应用，gan hemts由于其具有成本效益的大尺寸晶片和导电性能，成为最常用的结构[10]。相比之下，si对应半导体器件在面临器件微型化，芯片集成化等问题时，性能便会受到影响。目前，主要是在材料、工艺技术、器件、电路和系统等几个方面存在实际的物理限制的挑战，后续的工作看是否能够有所突破。

在传统algaas/gaas材料体系中，二维电子气的电子主要来源于algaas和gaas中的施主掺杂电离。而algan/gan异质结中，即使未人为掺杂，也能够形成面密度达到1×10¹³cm^-2量级的二维电子气。algan/gan异质结中的二维电子气常被称为极化感应的二维电子气，因为极化效应能够在异质结中携程很强的内建电场，调制了氮化物异质结的能带结构，使异质界面gan侧的量子阱变得又深又窄，非常有利于吸引自由电子积聚到阱中形成二维电子气。由于异质结界面形成了基本上不受电离杂质散射影响的2deg，具有面密度高和电子迁移率高等优点[11, 12]。

2. 研究内容和预期目标

（1）调研文献关于gan hemt器件隔离工艺的多种实现方法。预期目标：总结出最优的gan hemt器件隔离技术的工艺过程，制作gan hemt器件，实现器件隔离。

（2）学习并掌握gan hemt器件中离子注入隔离的基本原理和表征方法。预期目标：能够分析隔离漏电对器件的影响，为后续研究做好理论基础。

（3）研究不同注入条件下gan hemt器件的电学特性。预期目标：通过电学测试表征，探寻最优的注入条件，并总结出注入条件对漏电影响的机制，形成初步的工艺结论。

3. 研究的方法与步骤

拟采用的研究方法：

首先通过文献调研，了解gan hemt器件的工艺制作流程（包括材料的异质外延生长方法，隔离工艺，器件电学性能测量与分析等），其中，最重要的是了解gan hemt器件隔离工艺的实现方法。学习并掌握gan hemt器件中离子注入隔离的基本原理、表征方法和隔离漏电对器件的影响分析。比如比较干法刻蚀和离子注入两种不同工艺制备出来的器件是否对漏电的有何影响。注入工艺是否可以获得很好的场区隔离以及器件在室温下是否具有很好的夹断特性。改变不同注入条件，比如探索不同离子注入，或者同一离子不同浓度，还有离子电负性对ganhemt器件电学特性的影响。通过电学测试表征，探寻最优的注入条件，并总结出注入条件对漏电影响的机制，形成初步的工艺结论。详细研究不同退火温度对隔离漏电的影响，是否会改变隔离电阻。高温下，欧姆接触合金对注入离子的影响，是否需要在器件制作时先进行源漏欧姆接触金属化。研究不同离子在不同退火温度下的热稳定性，探究离子注入隔离的兼容性问题，探索该器件的实际用途。

研究步骤：

4. 参考文献

[1]. lin, j., k. lo and y. sun, effects of substrate-coating materials on the wound-healing process. materials, 2019. 12(17): p. 2775.

[2]. roccaforte, f., et al., emerging trends in wide band gap semiconductors (sic and gan) technology for power devices. microelectronic engineering, 2018. 187-188: p. 66-77.

[3]. mizutani, t., et al., algan/gan hemts with thin ingan cap layer for normally off operation. ieee electron device letters, 2007. 28(7): p. 549-551.

5. 计划与进度安排

1. （2022.1.10-2022.3.01）前期准备：完成毕业设计的准备工作(包括文献调研、开题报告、英文翻译)，并将前期完成材料（任务书、开题报告和外文翻译的原稿及译稿）上传至毕业系统。

2. （2022.3.01-2022.3.15）器件制备：通过前期调研，学习关于gan hemt器件的制作工艺流程，并制备相应的hemt器件，同时了解hemt器件电学性质的影响因素。

   3. （2022.3.16-2022.4.15）性能测试：研究不同注入条件下gan hemt器件的电学特性，详细研究不同退火温度对隔离漏电的影响，研究不同离子在不同退火温度下的热稳定性，探究离子注入隔离的兼容性问题。

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