多栅指结构GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计 电子科学与技术毕业论文.docx

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多栅指结构GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计电子科学与技术毕业论文

学号：

14112500128

毕业设计

题目：

多栅指结构GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计

作者

吴珍珍

届别

2015

院部

物理与电子学院

专业

电子科学与技术

指导老师

文于华

职称

讲师

完成时间

2015.05

摘要

宽禁带半导体材料一般是定义为禁带宽度大于或等于2.3eV的半导体材料。

氮化镓（GaN）是近些年发展起来并得到广泛应用的宽禁带半导体材料之一，该材料具有禁带宽度大、热导率高、介电常数低、电子漂移饱和速度高等特性，在制作高温、高频、高功率以及制作抗辐射的电子器件方面有很大的优势，由于氮化镓的宽禁带的特点，还能制作紫外光、绿光以及蓝光等光电子器件。

基于该材料的优点及其器件的应用前景，本论文主要围绕多栅指结构GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计这两方面展开了以下具体工作：

1）调研多栅指结构GaN基场效应晶体管器件的工作原理和基本特性,掌握制作该器件工艺的关键技术；

2）运用TannerL-EDIT版图设计软件设计出AlGaN/GaNHFET的版图模型以达到预期目的。

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料，因其应用前景诱人以及巨大的市场潜力必定会引起激烈的市场竞争。

所以研发多栅指结构GaN基场效应晶体管器件就成了科学家抢占高技术领域的战略制高点的关键。

关键词：

氮化镓；场效应晶体管；工艺版图；宽禁带；电子器件

Abstract

Widebandgapsemiconductormaterialsaregenerallydefinedassemiconductormaterialswithabandgapgreaterthanorequalto2.3eV.Galliumnitride（GAN）isdevelopedinrecentyearsandhasbeenoneofthewidelyusedwidebandgapsemiconductormaterial.Thematerialhasalargebandgapandthermalconductivityofhigh,lowdielectricconstant,saturatedelectrondrifthighspeedcharacteristics,hasagreatadvantageintheproductionofhigh-temperature,high-frequency,highpowerandmakingofantiradiationofelectronicdevices,duetothecharacteristicsofGanwidebandgap,andcanmakeUV,greenandbluelaseroptoelectronicdevices.Basedontheapplicationoftheadvantagesofthematerialsanddevices,thispapermainlyfocusonmultigatestructureGaNbasedfieldeffecttransistordeviceprocessandlayoutdesignofthefollowingspecificwork：

1）researchontheprincipleandbasiccharacteristicsofthemultigatefingerstructureGaNbasedfieldeffecttransistordevice,andmasterthekeytechnologyofthedevicetechnology；

2）thelayoutmodelofHFETAlGaN/GaNisdesignedbyL-EDITTannerlayoutsoftwaretoachievetheexpectedgoal.

ThenitridesemiconductormaterialrepresentedbyGaN,becauseofitspotentialapplicationsandhugemarketpotential,willinevitablyleadtofiercemarketcompetition..SotheresearchanddevelopmentofmultigatereferstothestructureoftheGaNbasedtransistordevicesbecomescientiststoseizethekeytothehightechareaofstrategichighground.

Keyword:

GaN；Field-effecttransistor；Processlayout；Widebandgap；Electronicdevices

目录

第一章　绪论1

1.1GaN材料的性质和特点1

1.2GaN基场效应晶体管的发展动态1

1.3本论文研究的主要内容简介2

第二章GaN基场效应晶体管的基本特性4

2.1GaN基场效应晶体管的器件原理4

2.2多栅指器件的简介6

2.3本章小结7

第三章GaN基场效应晶体管器件的制作工艺8

3.1GaN基场效应晶体管器件制作流程8

3.2芯片工艺的关键技术11

3.3本章小结12

第四章HFET器件的版图设计及结果13

4.1版图设计软件TannerL-EDIT的简介13

4.2AlGaN/GaNHFET版图设计结果18

4.3本章小结20

第五章结束语与未来工作展望21

5.1结束语21

5.2未来工作展望21

参考文献22

致谢23

第一章　绪论

1.1GaN材料的性质和特点

新时代对于第三代宽禁带半导体材料氮化镓的研究，导致了新的技术和产业的发展。

以下将从GaN家族以及GaN自身两方面来介绍GaN材料的性质和特点。

首先从GaN家族这一方面来说：

在Ⅲ族氮化物中主要包括了氮化镓、氮化铝、氮化铟等材料，实验研究可知其禁带宽度可从氮化铟的1.9eV连续变化到氮化镓的3.4eV，再变化到氮化铝的6.2eV,这相当于包括了整个可见光及远紫外光的范围，因此氮化镓基材料体系可称为半导体材料的华丽家族。

而再从GaN自身来说：

GaN是Ⅲ族氮化物中最基本的材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。

氮化镓的结构稳定性很好，其材料非常坚硬，在室温下融点较高。

同时还具有以下几个特点：

1）高击穿电压和高热导率，是研制高频微波器件和高温大功率电子器件的重要原因，其在航空、汽车以及普遍的电力应用中都是必需的。

2）GaN元器件的发热量很低，且同与工作极限温度约为175℃的Si、GaAs元器件相比，电路的冷却系统可以得到简化。

3）氮化镓具有很小的导通电阻，所需要的电子迁移率和电流密度大，这些特点使得氮化镓在微波功率等研究领域有很大的发展前途。

氮化镓是一种Ⅲ/Ⅴ直接带隙半导体，作为第三代半导体的曙光，随着其生长工艺的不断发展完善，氮化镓现已经成为了各种领域耀眼的新星，如发光二极管、激光器、高电子迁移率等。

正是因为该材料的良好的抗辐射性能以及环境稳定性，使得其在光电器件领域以及其他各领域有着很好的应用潜力。

1.2GaN基场效应晶体管的发展动态

半导体器件是随着电力电子技术方面的快速发展近而研究进步的，而以A1GaN／GaN异质结材料为基础而制造的GaN基器件AlGaN/GaNHFET一直作为热点而引起广大研究人员的关注，通过多年来研究者们在AlGaN/GaNHFET器件研究领域的不断深入，AlGaN/GaNHFET器件的特性达到了前所未有的高度。

其具有的二维电子气浓度高、工作温度高以及功率密度高等显著的优点在电力电子器件方面显示出卓越的优势，但是还是存在很多实质性方面的问题有待解决。

要制造出质量较好的AlGaN/GaNHFET器件，其主要是由最大跨导、最大饱和电流以及截止频率和最大振荡频率等特性所决定的。

国内外在研究GaN基材料等性能方面展开了多年的工作，而很多研究人员在GaN基材料器件方面均取得了进展。

从1928年W.C.JollIlson等人合成GaN材料标志着对GaN材料研究开始。

1993年3月，由Khan等实验者以蓝宝石为衬底，制造出了世界上第一支GaNHEFT样管。

同年，世界上第一篇有关于GaN基异质结场效应晶体管HFET的文章被发表出来，当时所发表的文章中还没有研究出微波特性方面的数据。

随后在1996年3月，UCSB研究小组提高材料水平、改善欧姆接触、增大击穿电压使微波功率测量获得以实现而促进研究。

1997年7月，将高含量的Al加入材料中，并成功取得了AlGaN/GaNHEMT样品，为AlGaN层Al含量和厚度提供依据。

1999年12月，UCSB研究小组在衬底上制作器件，提高材料质量，并改善散热条件，同时有利于高Al含量的AlGaN层。

2000年4月，名古屋理工大学制造了第一个较好的槽栅工艺HEMT，该器件的可靠性和温度的稳定性都非常不错。

20044月，日本FED协会利用槽栅、栅场板、钝化、SiC衬底、48mm栅宽的结合，成为2004年报告的最高记录。

国内相对于国外对于AlGaN/GaNHFET器件的研究来说还是有受到一定条件的限制，在国内报道的AlGaN/GaNHFET器件的研究相比国外的在性能特性上面还是有一定的差距。

近些年来AlGaN/GaNHFET器件在国内的发展研究还是取得了很大的进展的，GaN基场效应晶体管器件在性能上面已经日趋成熟，AlGaN/GaNHFET器件已经从实验研究中转向了真正的应用市场。

某些企业以及工厂以前只关注GaN发光器件的研究，但是在GaNHFET器件提高了成品率、成本降低的前提条件下，从而吸引了很多的企业投资生产。

这种真正反映了市场需求的电子器件将随着高科技的飞速发展而更加广泛的应用于通信、汽车、雷达系统以及航空领域中。

1.3本论文研究的主要内容简介

多栅指结构GaN基场效应晶体管半导体器件以优良的特性、诱人的应用前景和巨大的市场潜力成为了科学家争先抢占的高技术领域制高点。

本论文主要围绕多栅指结构GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计这两方面展开了以下具体工作：

1）调研多栅指结构GaN基场效应晶体管器件的工作原理和基本特性,掌握制作该器件工艺的关键技术；

2）运用TannerL-EDIT版图设计软件设计出AlGaN/GaNHFET的版图模型以达到预期目的。

第一章是绪论，主要介绍GaN材料的性质特点和GaN基场效应晶体管发展的动态情况，提出了论文的研究背景以及所具有的实际意义；

第二章主要调研了GaN基场效应晶体管的基本特性，包括GaN基场效应管器件的制备原理以及多栅指器件的简介；

第三章调研GaN基场效应管器件的制作工艺。

包括GaN基场效应管器件的制作流程以及芯片工艺的关键技术简介；

第四章介绍了AlGaN/GaNHFET器件的版图设计。

包括版图设计软件TannerL-EDIT的基本简介与操作流程，以及介绍了运用该软件绘出多栅指AlGaN/GaNHFET的版图模型。

第五章对本论文工作进行总结，并提出可进一步优化多栅指结构GaN场效应晶体管结构的方向。

第二章GaN基场效应晶体管的基本特性

2.1GaN基场效应晶体管的器件原理

高频、大功率的电子器件在无线通信网络中是必需产品，场效应管（FET）是通过电场效应来控制电流大小的半导体器件，场效应晶体管器件抗辐射能力强、输入阻抗高、体积小、重量轻以及制造工艺简单，就是因为具有这么多的优点而使得场效应晶体管得到了广泛的应用。

GaN基场效应晶体管是一类以氮化镓以及铝氮化镓为基础材料的场效应晶体管。

在本论文中介绍的是多栅指结构GaN基场效应晶体管，其中首先介绍AlGaN/GaNHFET（氮化镓异质结场效应晶体管）。

AlGaN/GaNHFET是GaN基电子器件应用最广的器件,经过研究了解到其具有跨导高、饱和电流高、截止频率高、击穿电压高等优良特性。

AlGaN/GaNHFET的器件在性能上面取得了很大进步,但器件再应用中还是会存在很多问题,从而大大制约了AlGaN/GaNHFET器件的发展。

因此，在本论文中对AlGaN/GaNHFET的基本特性的研究还是具有非常重要的意义。

一、AlGaN/GaN材料中二维电子气的产生机理

如图2.1所示，在实际器件制作中通常会采用

应变异质结构，其极化强度和束缚面电荷分布示意图如下。

异质结构中极化效应在AlGaN层的上表面所产生的高面密度负束缚电荷也会在表面形成补偿的正电荷吸附层。

在实际器件应用中AlGaN/GaN异质结构的AlGaN层上表面通常与介质或金属电极接触，负束缚电荷可吸附介质中带正电荷的分子或排斥金属中自由电子在表面是形成补偿的正电荷吸附层。

AlGaNρpz1ρsp1

GaNρsp2

（a）极化强度和（b）束缚电荷分布示意图

图2.1AlGaN/GaN应变异质结构

二维电子气的分布：

在AlGaN/GaN异质结构中，存在有自发极化和压电极化效应并且由其在界面处产生的束缚面电荷，在表面邻近处还存在有电荷吸附层，这是一个较为复杂的系统。

AlGaN/GaN区的左边有一高度约1eV的势垒存在，且二维电子气被局限在厚度为几个纳米三角势阱中，如图2.2所示。

图2.2热平衡状态下的AIGaN／GaNHFET能带图

二、GaN基HFET的基本工作原理介绍

AlGaN/GaNHFET自从问世十五年来,在很多方面取得了飞速的发展,除了异质结材料生长以外,器件研制方面也提出了许多新的改进措施。

在A1GaN/GaNHFET工作时，A1GaN/GaN异质结构中很容易就会出现二维电子气，该二维电子气为其源漏间的导通提供了导电沟道。

其具体工作情况如下：

如图2.3所示，分别在A1GaN/GaNHFET的栅源和漏源之间加上偏置电压，从而产生了一定的电场。

在漏源电压作用下,形成电流回路是由于电子从源极流入AlGaN/GaN异质界面处的二维电子气沟道中，并由漂移作用直达漏极而形成的。

图2.3AlGaN/GaNHFET的简化结构图图2.4室温栅偏压下AlGaN/GaN源漏间I-V曲线

肖特基栅极上的电压的改变可以直接调节栅漏电流的大小如图2.4所示。

由于栅极电压的大小会直接就影响了AlGaN／GaN异质界面处三角形势阱的宽度和深度，进而改变了2DEG的密度大小，从而控制了栅漏电流和器件的有效输出。

A1GaN/GaN直流参数在意的是最大漏源电流和跨导的大小。

AlGaN/GaNHFET器件有短栅器件也有长栅器件。

长栅器件、短栅器件的电子漂移运动速度分别是非饱和和饱和的。

短栅长器件饱和区电流与电压的关系表达式为：

（2-5）

其饱和区的跨导为：

（2-6）

其中n2D为二维电子气浓度，VG为栅电压，WD为沟道宽度，VDsat是电流达到饱和时的漏电压。

长栅器件电流－电压关系为：

（2-7）

其中L为栅长，W为栅宽，μ为电子迁移率。

其长栅器件的跨导为：

（2-8）

综合以上我们可以知道，栅长是一个非常重要的参数，在AlGaN/GaNHFET器件中，栅长L减少和栅宽WD增加会使AlGaN/GaNHEMT功率器件性能优化。

即缩短栅长可以使得器件的最大漏源饱和电流密度提高，同时也会提高非本征饱和跨导。

为了降低源、漏串联电阻要注意两者之间的距离。

2.2多栅指器件的简介

现在的新型研究的多栅指结构是很有潜力的器件结构，在以前的研究中都是考虑的单栅器件，但是随着多栅器件的各种方面性能的优势展现出来，传统的单个栅极器件的晶体管上面只有一个单独的栅极，而多栅器件的每个晶体管器件上面利用两个、三个甚至是上百个栅极，通过增加栅极的个数来控制电流的能力，并能够降低功耗、减少电流间的相互干扰。

随着近年来多栅器件越来越多的被得到关注，很多的研究者通过实验研究证明了多栅指结构场效应晶体管在性能上所表现出来的诸多优势，多栅器件相对于单栅器件能具有更大的跨导增益、更好的控制短沟道效应，更高的截止频率和更强的栅控能力。

如图2.5所示为一些多栅结构的示意图。

图2.5多栅器件

上述图左边图片所示的是中科院苏州纳米所对GaN/Si功率开关器件的关键技术研究，经过近两年的研发，研究人员成功研制出阈值电压3.5V、输出电流5.3A、栅极输入电压最高可达15V、击穿电压402V的AlGaN/GaN/SiHEMT常关型功率开关器件。

随着标准不断提高，人们将目光投向新材料领域，以期实现根本改进，从而引发新一代功率器件技术的革命性突破。

众多新材料中，基于氮化镓（GaN）的复合材料最引人关注。

在多栅场效应晶体管器件结构中，源极和漏极之间的间距，栅极和源极以及漏极之间的间距，以及栅极的长度和宽度等之间决定了该场效应晶体管器件的几何结构。

在GaN材料以及AlGaN/GaN器件的研究过程中可以发现材料的性能其中截止频率只要是受到器件的栅极长度的影响，栅极的长度变短会增强截止频率但是电阻会变大，但是在这个的前提条件下，如果要增大功率就必须加强栅长。

因此为了放大器件的功率，因而我们考虑用多栅结构，在本论文中主要先考虑用十个栅极的场效应晶体管来研究。

2.3本章小结

本章主要介绍的是GaN基场效应晶体管的基本特性，其中第一小节通过从AlGaN/GaN材料中二维电子气的产生机理和GaN基HFET的基本工作原理两方面介绍了GaN基场效应晶体管的器件原理，第二小节介绍了多栅指器件从而能够更好的掌握多栅指GaN基场效应晶体管器件的原理。

第三章GaN基场效应晶体管器件的制作工艺

3.1GaN基场效应晶体管器件制作流程

一、制备GaN的方法：

研究开发Ⅲ族氮化物电子器件需要高质量的GaN体单晶材料。

如果要想要制备出质量比较高的满足要求的GaN体单晶材料来，我们要做的工作还是比较多、比较困难的。

GaN本身存在的一些性能特点决定了在制备的同时所需要满足的高要求，例如即使我们在高温高压的高技术条件下，我们也很难制备出尺寸大点的GaN来，我们只能得到少量的小尺寸GaN晶体。

但是在当今的高科技的条件下，困难时可以解决的，现在已经随着技术的不断进步发展，实验研究者们通过异质外延技术已经可以生长出高质量的材料即GaN外延层，所以科技在进步，应用也在发展,GaN材料已经在其各个方面的应用上都展现了其特有的性质而被广泛应用。

目前，用于制备GaN薄膜的方法主要有三种，如表3.1所示展示了制备GaN的三种方法以及他们之间性能上的比较。

表3.1制备GaN主要方法的比较

方法

外延过程

影响系统因素

优点

缺点

MBE

在真空的条件下，多种原子以原子或者是分子的形式在衬底上经过化学、物理过程，以一定的排列顺序形成薄膜的过程。

真空条件

过程简单，温度低有利于制造出来激光器

生长速度慢以及成本过高

MOCVD

1、含外延膜成分的气体被气相输运到加热的衬底

2、通过气体分子热分解扩散在衬底

3、外延膜的原子沉积

4、并按一定晶体结构排列形成薄膜

有泄漏而造成污染

可实时监测表面状况，

大批量生产光电子产品

原材料消耗大

HVPE

1、HCl在金属Ga上流过

2、形成GaCl蒸气

3、GaCl与衬底或外延面上与NH3反应

4、沉积形成GaN

气体泄漏

生长速率快、制造成本低

很难精确控制膜厚，反应气体对设备有腐蚀性

综上所示，在这三种生长技术中MOVPE是使用最多、质量最高的生长方法。

二、场效应晶体管器件的制作流程：

Si衬底通孔接地结构的AlGaN/GaNHFET制作完成以后，还需以下几个步骤:

（1）器件的隔离：

在生长好的外延片上进行第一次光刻，将光刻版上的通孔图形转移到外延片上；然后应用ICP方法对外延片进行带胶刻蚀，再进行第二次光刻，将光刻版上器件隔离的图形转移到外延片上，然后再应用ICP方法对外延片进行带胶刻蚀，实现器件的隔离，最后进行退火处理，如图3.1所示。

（a）材料生长（b）器件隔离

图3.1器件的隔离

（2）欧姆接触电极的形成：

进行第三次光刻，将光刻版上源、漏电极的图形转移到外延片上，然后应用电子束蒸发的方法进行带胶蒸发，蒸发金属依次为Ti、Al、Ni、Au，再通过应用工艺而剥离光刻胶及其上面的金属形成欧姆接触。

欧姆接触是制备高性能的AlGaN/GaNHFET的关键技术，如图3.2所示。

（c）单栅欧姆接触（d）多栅欧姆接触

图3.2欧姆接触电极的形成

（3）栅极的制作：

进行第四次光刻，将光刻版上栅极的图形转移到外延片上，

然后应用电子束蒸发的方法进行带胶蒸发，蒸发金属依次为Pd、Ti、Au，然后应用工艺，剥离光刻胶及其上面的金属，形成肖特基栅极。

肖特基接触目的是为了降低反向击穿电压，从而提高质量，如图3.3所示。

（e）单栅结构

（f）多栅结构

图3.3十栅场效应晶体管器件的制作

（4）电极的加厚：

一般情况下，我们需要对电极进行加厚，以降低导通电阻，实现大电流。

我们的做法是，在电极上面镀一层1～2微米厚的Au。

（5）Si衬底电极的制作：

用电子束蒸发的方法在Si衬底上镀制电极，电极金属依次为Sb、Au。

其中关键的工艺为台面隔离刻蚀、源/漏欧姆接触、肖特基栅极接触以及我们还需加入的步骤即空气桥制作

（6）空气桥制作：

空气桥制作是最后一道工艺，在制作的过程中，要有精确地步骤从而得到高质量的器件。

下面将介绍一下空气桥制作的关键点：

在多栅器件中，采用空气桥把每个独立的单元元件相互连接在一起，拱形空气桥可以承受更大的压力和温度变化，在结构上具有更加好的优势。

在AlGaN/GaNHEMT器件中已经存在有采用空气桥来实现场效应晶体管源极、漏极以及栅极之间的互联，空气桥的连接可靠性高、方便制备，在应用上面越来越体现出了其重要性。

所以在AlGaN/GaNHFET器件中就引入了空气桥结构。

如图3.4所示的HEMT多栅器件所示：

图3.4HEMT多栅器件空气桥制作

在上图中均引入了空气桥结构，在前一幅图中引入空气桥使得电容比较小，可以加强截止频率，但是在此前提条件下还是存在散热性能较差的缺点。

在后一图中有效的解决了散热的问题，在漏极上加空气桥，从而减少了频率。

在半导体大功率器件中，空气桥很好的发挥了作用，空气桥的增加而增加了器件的稳定性。

3.2芯片工艺的关键技术

HFET工艺跟其它器件工艺进行比较，是比较简单、易于操作的。

在整个AlGaN/GaNHFET的制备过程中，最关键的工艺步骤有以下几点：

（1）光刻

光刻工艺在芯片工艺中的作用是非常大的，是把光刻板上的图形移植到外延片上的过程。

下面简单介绍具体步骤：

ⅰ.片子清洗：

片子清洗是为了除去污物，使光刻胶和片子的粘性加强，最后用氮气把片子吹干