检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：张凯西安电子科技大学

学位级别：博士

III族氮化物半导体因出色的材料特性以及在高温、高频、大功率应用的潜力已成为目前半导体领域的研究热点。得益于材料外延技术的进步、器件制备工艺的成熟以及器件结构的不断创新,氮化物器件在性能与商业化方面都取得了巨大进步。为突... 详细信息

III族氮化物半导体因出色的材料特性以及在高温、高频、大功率应用的潜力已成为目前半导体领域的研究热点。得益于材料外延技术的进步、器件制备工艺的成熟以及器件结构的不断创新,氮化物器件在性能与商业化方面都取得了巨大进步。为突破常规AlGaN/GaN异质结的局限,新型高铝组分氮化物异质结成为了近几年的研究焦点。由于更宽的禁带、更强的极化效应等优势,其在多方面已显示出超越成熟的GaN基HEMT器件的能力。本文正是基于新颖的异质结结构进行器件的设计与优化,试图将先进的结构与器件设计相结合,探索适合高压、高频应用的器件。主要研究工作和成果如下:1、高功率增益场板结构和栅结构的研究。结合理论仿真与实验研究了源场板长度、介质厚度等因素对常规双场板器件功率增益的影响。研究表明源场板能够有效地屏蔽栅漏反馈电容,增强器件的功率增益和稳定性。场板长度对增益的增加呈现饱和趋势,而场板下的介质越薄,增益越高。提出一种新型单层栅、源双场板器件,特点为:击穿特性非常类似于传统栅场板器件,但功率增益却因源场板的存在而显著提高,栅、源场板的间距对电场和功率增益的调制有决定性作用。通过工艺优化,制备了场板间距为0.4?m的新型栅、源双场板器件,功率增益提高了2.4dB。并成功地将高增益双栅器件引入到氮化物半导体中,其功率增益的提高达5.0dB,且稳定工作频率范围更宽,我们认为这是毫米波应用的理想器件结构。成功地研制了先进的倾斜栅器件,倾斜槽栅结构中线性缓变的栅侧墙能够均匀化栅附近的电场,降低电场峰值,极大地抑制器件反向栅泄漏电流和电流崩塌效应。2、研究了典型的高铝组分薄势垒层GaN/Al0.65Ga0.35N/AlN/GaN异质结HEMT器件的基本特性。由于薄的势垒层,器件表现为增强型工作,并具有较好的直流特性、超低的漏至势垒降低效应（仅为3.3mV/V）、低的栅泄漏电流、良好的电流崩塌和击穿特性;在栅长为0.5μm情况下,fT和fmax分别为11.6GHz和27.2GHz,显示出高铝薄势垒层在抑制短沟道效应以及高频领域的优势。3、创新地对高K介质Al2O3、La2O3和三元材料La2-xAlxO3与GaN的能带对准特性进行了系统研究。从La2O3介质过渡到Al2O3介质,介质的禁带宽度、与GaN的导带差和价带差都呈现增加趋势。此外,介质一侧的能带弯曲表明,La2O3在GaN表面引入负固定电荷,Al2O3引入正固定电荷,La2-xAlxO3（x=1左右）基本不引入电荷。基于能带研究结果,设计并制作了高性能15nm Al2O3/La2-xAlx O3/Al2O3叠层栅介质MOS-HEMT器件,其饱和输出电流达到HEMT器件的2倍,为1367mA/mm,正反向栅电流得到显著抑制,而跨导与增益退化明显低于Si3N4介质,缓和了漏电与增益的折衷问题。4、增强型器件的探索实现。探索出一种O2等离子体注入制备高铝组分薄势垒增强型器件技术。器件的阈值电压为+1.02V,最大跨导230mS/mm,尤其是亚阈值摆幅仅有70mV/Dec,并具有一定的阈值可控性优势。联合多种测量手段揭示出阈值电压调制的主要机制为势垒层的部分氧化,而势垒层应力的变化以及微弱的刻蚀作用也对阈值电压调制起到一定作用。研制出高性能O2等离子体处理叠层栅MOS-HEMT器件,器件表现出更高的最大工作栅压和优异的直流特性,比开态电阻为0.88mΩ·cm2,击穿电压在480V以上。5、为降低等离子体对沟道的损伤,提出了一种新的氟注入栅介质的方法代替传统氟离子注入增强型器件的制备工艺,利用介质内氟离子强的电负性调节阈值电压,获得了高性能的增强型器件,器件的阈值电压为+0.50V,IDS,max=916mA/mm,Gm,max=342mS/mm,其输出电流接近于常规耗尽型器件的值（1A/mm）,这个结果的综合指标在国际上属最优的,显示了F注入栅介质高铝组分势垒层增强型器件在微波毫米波常关应用和高速耗尽型/增强型器件集成电路等方面有大的潜力。6、探索制备了新型Al0.83In0.17N/AlN/Al0.05Ga0.95N异质结增强型器件。采用氟注入加槽栅刻蚀复合技术以及O2等离子体处理两种方法实现正向调节阈值电压。通过改进欧姆工艺,克服了高铝组分势垒层/沟道层异质结欧姆制作的困难,得到的接触电阻仅有0.12Ω·mm。两种器件的阈值均在0.50V左右,由于更大带宽的AlGaN层作为缓冲层,器件呈现出非常优越的亚阈值特性,其中O2等离子体处理器件的亚阈值摆幅仅有82mV/Dec。进一步,研制了AlGaN沟道MOS-HEMT器件,阈值电压增加到1.55V,最大电流为254 mA/mm,还具有良好的关态漏电和击穿特性。应当注意的是,本文得到的Al0.05Ga0.95N沟道Al0.83In0.17N基增强型器件的研究结果在国际上尚

关键词：场板结构高铝组分异质结绝缘栅HEMT器件增强型器件功率增益

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AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

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物理学报 2016年第3期65卷 379-384页

作者：王冲赵梦荻裴九清何云龙李祥东郑雪峰毛维马晓华张进成郝跃西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安710071

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压... 详细信息

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.

关键词：双异质结增强型器件 F等离子体漏致势垒降低效应

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GaN功率开关器件的发展与微尺度功率变换

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半导体技术 2014年第1期39卷 1-6,13页

作者：赵正平中国电子科技集团公司北京100846

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。... 详细信息

GaN材料具有高的击穿场强、高的载流子饱和速度和能形成高迁移率、高密度的二维电子气,使得GaN功率开关器件具有关断电压高、导通电阻小、工作频率高等特点。GaN功率开关器件将成为高效率与超高频(UHF)电力电子学发展的重要基础之一。综述了GaN功率开关器件的发展历程、现状、关键技术突破、应用研究和微功率变换集成。重点评估了常开和常关两类GaN功率开关器件的异质结外延材料的结构、器件结构优化、器件的关键工艺、增强型器件的形成技术、器件性能、可靠性、应用特点和微系统集成。最后总结了新世纪以来GaN新一代电力电子器件技术进步的亮点。

关键词：常开GaN功率开关器件常关GaN功率开关器件 GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) GaN异质结场效应晶体管(HFET) 增强型器件功率变换

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硅及氮化镓基半导体功能器件新结构和工艺研究

硅及氮化镓基半导体功能器件新结构和工艺研究

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作者：刘杰北方工业大学

学位级别：硕士

随着科技的不断发展,宽禁带半导体器件目前已成为半导体行业的研究热点。GaN材料以其独特的极化效应、优异的热电性质和稳定的物理化学性质等优点,成为当前最为热门的宽禁带半导体器件材料,以AlGaN/GaN异质结构形成的HFET器件更是在高... 详细信息

随着科技的不断发展,宽禁带半导体器件目前已成为半导体行业的研究热点。GaN材料以其独特的极化效应、优异的热电性质和稳定的物理化学性质等优点,成为当前最为热门的宽禁带半导体器件材料,以AlGaN/GaN异质结构形成的HFET器件更是在高频、高温等各种应用领域有突出的表现。在生物传感器方面,由于GaN基材料良好的生物兼容性和稳定的化学特性,使其在生物传感器方面得到广泛的应用。同时由于生物检测的特殊性及生物反应的特殊性,如何更好的提高生物检测的灵敏度一直是研究的热点。针对此问题,本文进行了一种对栅表面进行处理的工艺,通过对比处理前后器件饱和电流、跨导等参数的变化来确定提高器件检测灵敏度的有效方法。实验是先用M4L等离子干法去胶机在200W功率下处理90s,之后使用HC1(1：10)水溶液清洗90s去除氧化层。然后将其中一组样品用O2plasma在200W功率条件下氧化5min,以形成一层栅介质层,之后再进行栅金属Au的淀积。实验后得知经过了5min O2plasma处理后的样品B在Vgs=2V, Vds=10V的条件下,器件漏源饱和电流约为72.45mA/mm,而未经过02plasma处理过的样品A在Vgs=2V, Vds=10V时的饱和电流约为68mA/mm.可见经O2plasma处理后器件饱和电流明显增加,器件输出性能提高。但器件的跨导却发生了下降,未经过02plasma处理器件的跨导为10.25mS/mm,而经过处理后器件跨导下降至9.485mS/mm,因此等离子氧化处理虽提高了器件的饱和电流,但却牺牲了器件的最大跨导,后期工艺依然需要继续改善。在GaN基集成电路方面,则由于AlGaN/GaN材料在非掺杂情况下就有很高的2DEG浓度,因此常规AlGaN/GaN器件均为耗尽型器件,这严重影响了GaN基集成电路的研究和应用,因此对增强型AlGaN/GaN器件的研究意义重大。当前增强型AlGaN/GaN HFET器件的制备方法-般有以下几种：凹槽栅结构、F离子注入、薄AlGaN势垒层结构、p-type栅结构、使用non-polar a-plane沟道结构等,其中使用并研究最多的是凹槽栅结构。但由于GaN基材料稳定的化学、物理特性,传统凹槽栅刻蚀工艺几乎都是干法刻蚀。针对这种工艺现状,本文利用了一种新型的湿法腐蚀工艺,即先将器件在650℃的环境下,进行45min的热退火,然后用70℃的KOH溶液进行处理,通过此种湿法腐蚀工艺,我们最终得到了约19nm的凹槽,完成了凹槽工艺。之后我们进行A1203栅介质制备工艺,在完成所有工艺后,测得的器件闽值电压由常规器件的-3.28V移至+0.42V,正向移动3.70V,符合了增强型器件的要求。测得增强型器件的最大跨导为15.6mS/mm,在Vgs=5V、Vds=10V时,器件的输出电流为51.6mA/mm.随后我们又根据该实验所得数据通过ADS软件进行了GaN基E/D反相器的仿真研究,通过优化耗尽型AlGaN/GaN器件的尺寸,可以仿真得到性能非常优秀的反相器,之后又利用该反相器构建了一种简单环形振荡器并进行了仿真,再结合实验所得的增强型器件输出、转移曲线和栅表面电容等数据,仿真结果表明要形成约100MHz的GaN基环形振荡至少需要9级环振结构,这些仿真数据为以后研制GaN基集成电路提供了理论依据。

关键词： AlGaN/GaN 生物传感器增强型器件 GaN环振

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增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究

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物理学报 2010年第10期59卷 7333-7337页

作者：王冲全思马晓华郝跃张进城毛维宽禁带半导体材料与器件重点实验室西安电子科技大学微电子学院西安710071

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500℃N2中退火5min后,阈值电压由0.12V正向移动到0.57V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN ... 详细信息

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500℃N2中退火5min后,阈值电压由0.12V正向移动到0.57V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN HEMT在400℃N2中退火2min后,器件阈值电压由0.23V负向移动到-0.69V,栅泄漏电流明显增大.槽栅增强型器件退火过程中Schottky有效势垒提高,增强了栅对沟道载流子的耗尽能力,使器件阈值电压正方向移动,同时降低了栅反向漏电流,而且使得栅能工作在更高能的正向栅压下.F注入增强型器件在退火后由于F离子对二维电子气的耗尽作用在退火后减弱,造成阈值电压负方向移动;F注入对势垒的提高作用在退火后有所减弱,引起了Schottky泄漏电流明显增大.退火后F注入增强型器件的沟道电子迁移率得到明显恢复。

关键词：高电子迁移率晶体管 AlGaN/GaN 增强型器件

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基于AlGaN/GaN E/D器件设计环形振荡器

基于AlGaN/GaN E/D器件设计环形振荡器

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2012全国第十四届微波集成电路与移动通信学术年会

作者：陆海燕周建军孔月婵董逊孔岑耿习娇南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室南京 210016

基于0.8μm GaN HEMT E/D集成工艺设计并制备了17级GaN环形振荡器,采用两级缓冲输出,共采用38个晶体管.对GaN增强型和耗尽型器件进行详细的直流以及微波小信号测试,基于以上测试进行了设计.研制的17级环形振荡器采用反相器闭环结构,基... 详细信息

基于0.8μm GaN HEMT E/D集成工艺设计并制备了17级GaN环形振荡器,采用两级缓冲输出,共采用38个晶体管.对GaN增强型和耗尽型器件进行详细的直流以及微波小信号测试,基于以上测试进行了设计.研制的17级环形振荡器采用反相器闭环结构,基波的振荡频率为197.5MHz,振荡周期为5.06ns,平均每级反相器延迟为148ps.

关键词：环形振荡器电路设计增强型器件耗尽型器件

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碳纳米管薄膜晶体管在人工突触和低功耗CMOS电路中的应用研究

碳纳米管薄膜晶体管在人工突触和低功耗CMOS电路中的应用研究

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作者：李敏太原理工大学

学位级别：博士

单壁碳纳米管（SWCNT）是后摩尔时代极具颠覆性的半导体材料,单壁碳纳米管薄膜晶体管（SWCNT TFT）作为重要的电子元器件,具有卓越的电学性能以及优异的可靠性和稳定性,与柔性电子、硅基电子和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术可实现... 详细信息

单壁碳纳米管（SWCNT）是后摩尔时代极具颠覆性的半导体材料,单壁碳纳米管薄膜晶体管（SWCNT TFT）作为重要的电子元器件,具有卓越的电学性能以及优异的可靠性和稳定性,与柔性电子、硅基电子和互补金属氧化物半导体（CMOS）技术可实现良好兼容,能够对信息进行同步地传递和处理。SWCNT TFT已在生化传感、集成电路、柔性印刷电子、可穿戴电子等诸多领域中发挥举足轻重的作用,并有望应用在基于非冯诺依曼架构的高效低能耗人工智能芯片和智能仿生感觉系统中从而在物理硬件层面上突破存算分离带来的发展障碍。视觉系统在人类与外界交互中发挥中心作用,生物突触是其最基本的功能单元并能够对动作电位信息进行传递和处理。因此,模拟生物视觉感知以研发非冯诺依曼式仿生视觉系统至关重要,构筑能够对光信息感知、处理和记忆的人工突触器件以及能够实现恒定探测信号向脉冲电信号转换的CMOS处理电路是实现上述目标的关键环节。尽管SWCNT TFTs在仿生视觉领域中极具发展前景,但同时也面临着一些挑战。由于半导体型单壁碳纳米管（sc-SWCNT）本身对光不敏感,关于如何构建与硅基电子兼容的高性能和多模态输入/输出的SWCNT光电人工突触、如何探明多种信号的协同作用机制、如何获得生物相容性更佳的柔性SWCNT光电突触晶体管等方面仍在探索之中。此外由于SWCNT TFT易受空气中水氧影响表现为p型耗尽的电学特性,如何构筑与碳基突触电子器件兼容性的增强型低功耗SWCNT CMOS器件和电路也是目前该领域研究的热点和难点。针对以上问题,本论文开发了基于硅衬底和柔性衬底的SWCNT光电突触晶体管,探究了光电信号的协同作用和复杂突触功能的模拟,阐明了光电突触塑性的产生机理,同时构建了具有超低功耗的SWCNT CMOS反相器。本文主要研究内容和研究成果总结如下:（1）使用具有光栅效应的轻掺杂硅作为底部栅极制备得到了结构简单并能实现光电双控的单一栅印刷SWCNT突触器件。基于p型轻掺杂和n型轻掺杂的SWCNT TFT在光照条件下分别实现正向和负向光响应,同时光/电脉冲序列刺激下器件的源漏电流不断累加,因此模拟了包括低通滤波和非易失性记忆性能在内的几种重要突触行为。探明了光电突触塑性的产生机理为光照下轻掺杂硅基底（p型/n型）中存在的光栅效应引起了栅源电压变化（减小/增加）从而进一步影响源漏电流值、以及sc-SWCNT有源层和高介电常数（k）氧化物介电层表界面处存在陷阱态从而使得电荷载流子能够被存储在器件沟道中。最终该单一栅SWCNT光电人工突触中成功通过光电信号耦合作用模拟出兴奋、抑制和逻辑操作等功能。（2）引入光敏材料以改善基于硅衬底的SWCNT突触晶体管的光电响应能力并实现多模态的输入和输出。通过在基于轻掺杂硅底栅的SWCNT突触晶体管顶部旋涂无铅钙钛矿CsBi3I10能够数十倍地提高原始器件光电响应,其原因在于CsBi3I10具有极好的光敏特性以及光生电荷在其与SWCNT的界面处能够实现有效分离。通过光电信号协同训练实现了能够多模态操作的光电人工突触,模拟了更多如或非（NOR）逻辑、可重复的光写电擦闪存功能、以及“巴普洛夫狗”条件反射等高级神经活动,并且利用长时程增强（LTP）/长时程抑制（LTD）特征值构建基于单层感知的人工神经网络以识别MNIST手写数字集,最高准确率达到85.46%。此外,通过使用Pd源漏电极和罗丹明6G（Rh6G）光敏层以及改进SWCNT有源层制备工艺,构建出基于重掺杂硅底栅的SWCNT光电突触晶体管,器件可在光/电刺激下表现出非易失记忆能力,模拟了光电闪存功能,可实现线性度更好、对称性更高、变化范围更大的逐步权重更新。（3）通过全溶液法在聚酰亚胺（PI）衬底上制备离子液体交联聚（4-乙烯基苯酚）(ILs-c-PVP)基柔性SWCNT双电层晶体管并模拟生物突触功能和改善光响应能力。SWCNT电解质栅突触晶体管能够在±1 V的低电压区间工作且具有高开关比（>10～6）、低关断电流(约10-12 A)以及良好的机械柔韧性,离子液体的添加含量决定了介电层的电容值和其内部可移动离子数目从而影响器件电性能和突触功能表现,在该器件中能够通过电脉冲刺激模拟兴奋性突触后电流（EPSC）、双脉冲易化（PPF）等短程可塑性;进一步地,通过在电解质中添加无铅材料BiI3以使柔性SWCNT突触晶体管具备光响应能力同时模拟了光突触塑性从短时程记忆（STM）向长时程记忆（LTM）的过渡转变。此外,以BiI3-ILs-c-PVP为介电层的SWCNT TFT器件的开启电压降低向0 V靠近,为低功耗突触器件和电子电路奠定良好基础。（4）探索SWCNT TFT的阈值电压调节和极性转化方法和机理并构建超低功耗SWCNT CMOS反相器。使用BiI3掺杂的ILs-c-PVP固态电解质作为介电层并

关键词：碳纳米管薄膜晶体管光电突触晶体管神经形态电子柔性印刷电子增强型器件超低功耗CMOS反相器

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氢终端金刚石场效应晶体管与紫外探测器的制备及其性能研究

氢终端金刚石场效应晶体管与紫外探测器的制备及其性能研究

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作者：葛磊山东大学

学位级别：博士

金刚石具有超宽的禁带宽度、高的临界击穿电场、高电子迁移率和高热导率等突出特性,被誉为“终极半导体材料”。这些优异的特性使得金刚石在电力电子器件、辐射探测器、紫外探测器以及生物传感器等领域具有广泛的应用前景。掺杂或本征... 详细信息

金刚石具有超宽的禁带宽度、高的临界击穿电场、高电子迁移率和高热导率等突出特性,被誉为“终极半导体材料”。这些优异的特性使得金刚石在电力电子器件、辐射探测器、紫外探测器以及生物传感器等领域具有广泛的应用前景。掺杂或本征的金刚石在常温下难以电离,而具有氢终端表面的金刚石暴露在空气中可以形成二维空穴气,从而表现出良好的导电性。经历几十年的发展,氢终端金刚石器件在器件原理、制备工艺、器件性能以及探测器等方面上均取得了一系列的进展。尽管如此,关于氢终端金刚石电子器件仍存在结构和工艺不成熟、稳定性研究较少等问题;在金刚石紫外探测器领域,以传统的两端结构为主导,存在结构单一化、制备工艺不成熟以及优化方向不明确等问题。因此,为了进一步开发金刚石材料的潜力,亟需开展对电子器件制备工艺、器件结构和稳定性等方面的研究。此外,在紫外探测领域,需要突破传统两端结构探测器的限制,对新型三端探测器进行结构和性能上的优化。在此研究背景下,本文基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）生长的高质量单晶金刚石材料,通过氢等离子处理得到氢终端金刚石材料,制备了不同结构的高性能金刚石晶体管,测试了氢终端金刚石场效应晶体管的稳定性。另外,采用金刚石光电晶体管结构探测器解决了两端结构探测器响应度低等缺点。首次实现了金刚石增强型光电晶体管,为未来金刚石低功耗紫外探测器的系统集成提供了优化思路。本文的主要研究内容如下:1利用金（Au）和铝（Al）金属材料分别与氢终端金刚石形成欧姆接触和肖特基接触,摸索出金掩膜腐蚀工艺制备氢终端金刚石金属半导体场效应晶体管（MESFET）器件。器件最大输出电流为123mA/mm,导通电阻为28.2 Ω·mm,最大跨导为38 mS/mm,开关比为109,迁移率为195 cm2/V·s。值得一提的是MESFET器件在多次循环测试和恒压测试中,表现出了较好的稳定性。另外,本文通过测试不同温度下的MESFET器件电学性能,探究了器件的理想工作温区。器件在-45℃～30℃下表现得较为稳定,但是高温下性能退化的较为明显,尤其在200℃测试环境下,该温度会造成器件性能的严重损伤并具有一定的普遍性。同时,本文制备了叉指栅电极和圆环栅电极结构的氢终端金刚石MESFET器件,相较于单栅电极结构,叉指栅电极结构和圆形栅电极结构具较大的输出电流,其中叉指栅电极和圆形栅电极结构的输出电流分别为单级栅结构的18倍和11倍,这两种器件在弱信号源探测中具有高灵敏度的独特优势,是下一步研究的重点内容。2基于低温原子层沉积（ALD）生长Al2O3和HfO2栅极介质制备了氢终端金刚石金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件。研究了Al2O3栅介质生长温度（80℃,150℃和250℃）对氢终端金刚石MOSFET器件性能的影响。通过测试不同生长温度下的器件电学性能和稳定性,得出Al2O3栅介质生长温度为150℃时的MOSFET器件具有更好的综合电学性能,器件最大饱和电流为156mA/mm,开关比大于10～8。氢终端金刚石MOSFET器件在200℃工作温度下依旧可以保持较好的性能,饱和电流从室温的103 mA/mm降低至200℃时的90 mA/mm,开关比由室温下的10～8降低至200℃时的106。由于Al2O3栅介质具有钝化氢终端金刚石表面的作用,器件在空气中存储一个月前后的电学特性几乎没有发生改变。进一步的,本文针对Al2O3栅介质器件工作电压较大等问题,提出了利用更高介电常数的HfO2材料作为栅极介质制备了MOSFET器件。实验结果表明,在栅介质生长条件和厚度相同的情况下,使用HfO2栅介质制备的MOSFET器件阈值电压为0.6 V,而使用Al2O3栅介质制备的器件阈值电压为6.6V,HfO2栅介质将器件工作电压降低了约6V。此外,使用HfO2栅介质的器件还能更有效地限制漏电流,具有出色的电学性能。3探究了增强型氢终端金刚石器件的制备方法。首先,制备了基于热退火工艺和紫外臭氧处理工艺的增强型氢终端金刚石器件。通过对比两种工艺的器件电学特性,发现热退火工艺和紫外臭氧处理工艺均会对氢终端金刚石表面造成较大程度的损伤而导致器件饱和电流较低。热退火工艺制备的MESFET器件最大饱和电流为21 mA/mm;紫外臭氧处理工艺制备的MESFET器件最大饱和电流为19 mA/mm。因此,本文研究了基于BaF2栅介质的增强型氢终端金刚石器件,制备出的增强型器件最大饱和电流为53 mA/mm,导通电阻为43.2 Ω·mm,开关比大于10～8,阈值电压为-1.2 V。4研究了金刚石基紫外探测器。首先制备了金刚石光电导型和肖特基势垒探测器,测试了这两种金刚石紫外探测器性能。两端结构探测器存在着响应度较低,响应速度较慢等问题。为了解决这些问题,本文提出了采用三端光电晶体管进行紫外探测,并研究了氢

关键词：氢终端金刚石金属半导体场效应晶体管金属-氧化物半导体场效应晶体管增强型器件紫外探测器

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AlGaN/GaN异质结湿法腐蚀工艺开发和GaN基生物传感器的工艺研究

AlGaN/GaN异质结湿法腐蚀工艺开发和GaN基生物传感器的工艺研究

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作者：蔡金宝北京大学

学位级别：硕士

目前，AlGaN/GaN HFETs由于其在高功率、高频、高温电子器件应用领域有着巨大的应用潜力，成为了国内外研究的热点。但我们发现，由于GaN基材料具有极其稳定的物理、化学性质，尤其是具有强的键合能(8.92eV/atom)，至今仍没有一种成熟... 详细信息

目前，AlGaN/GaN HFETs由于其在高功率、高频、高温电子器件应用领域有着巨大的应用潜力，成为了国内外研究的热点。但我们发现，由于GaN基材料具有极其稳定的物理、化学性质，尤其是具有强的键合能(8.92eV/atom)，至今仍没有一种成熟的湿法化学腐蚀工艺。当前，由于缺少成熟的湿法化学腐蚀工艺，GaN基器件的刻蚀几乎全部采用干法刻蚀，这导致器件的干法刻蚀损伤，从而降低了器件性能，限制了GaN基器件性能的进一步提高。基于以上情况，我们开发了一种针对GaN基材料的热氧化辅助湿法化学腐蚀新工艺，并将其应用于Recessed-gate MIS-AlGaN/GaN HFET增强型器件的制备工艺。\n 在实验中，我们发现AlGaN/GaN异质结构材料在高于700℃的环境下被氧化后，氧化区域可被70℃的KOH溶液腐蚀，而对未被氧化的区域则没有影响。将AlGaN/GaN异质结材料在900℃的条件下热氧化8h后，使用70℃的KOH溶液（饱和KOH∶ H2O=1∶5）进行浸泡处理30分钟后，我们成功地腐蚀出了150nm的台阶高度，腐蚀区域平均粗糙度仅为10.7nm。随着氧化时间的增加，腐蚀深度趋向于饱和而腐蚀区域表面也趋向于更加平滑。通过透射电子显微镜(TEM)和X射线能谱仪(EDS)分析系统，我们详细分析了这种湿法腐蚀新工艺的物理和化学机制，并说明了缺陷、位错的作用。在这种湿法化学腐蚀新工艺的基础上，我们利用AlGaN势垒层和GaN缓冲层热氧化温度的不同，再次开发了针对AlGaN/GaN异质结结构中AlGaN势垒层的热氧化湿法腐蚀工艺。\n 其后，我们成功地将热氧化湿法化学腐蚀工艺应用于Recessed-gateMIS-AlGaN/GaN HFET增强型器件的制备工作。在热氧化温度为650℃、时间为45min的条件下，经70℃的KOH溶液浸泡处理后，在栅区域成功制备出约19nm的凹槽结构，这个深度与AlGaN势垒层的厚度相当，同时采用热氧化的Al2O3作为栅介质，最后对其进行了电学表征。器件的阈值电压由常规器件的-3.28V变为0.42V，正向移动了3.70V。器件最大跨导为15.6mS/mm，在Vgs=5V、Vds=10V的偏置条件下输出电流为51.6mA/mm。\n 在最后的部分，本文对AlGaN/GaN HFET生物传感器的研究进展及其工作机制进行了详细地介绍，开展了MOS-AlGaN HFET和MES-AlGaN HFET两种结构的生物传感器工艺制备研究工作。目前，通过HCl溶液和O2 plasma两种不同的表面处理，MOS和MES两种结构的AlGaN/GaN HFET生物传感器的流片已经完成，其中MOS结构的氧化层厚度约0.4nm，并完成了初步的器件特性表征工作。

关键词：湿法化学腐蚀增强型器件生物传感器阈值电压异质结结构

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结型增强栅AlGaN/GaN HEMT设计

结型增强栅AlGaN/GaN HEMT设计

引用

作者：袁嘉慧西安电子科技大学

学位级别：硕士

当前在电力及电子应用中所普遍采用的功率器件,以传统的硅基功率器件居多。由于硅基功率电子器件工艺技术的日益完善,其特性已趋近于硅材料极限,性能进一步提升存在较大困难,而以宽禁带半导体材料如氮化镓（GaN）、碳化硅（Si C）为基... 详细信息

当前在电力及电子应用中所普遍采用的功率器件,以传统的硅基功率器件居多。由于硅基功率电子器件工艺技术的日益完善,其特性已趋近于硅材料极限,性能进一步提升存在较大困难,而以宽禁带半导体材料如氮化镓（GaN）、碳化硅（Si C）为基础的新一代功率器件因具有更高的临界击穿电场、更快的开关速度等优点己经成为学界与业界共同的研究热点。AlGaN/GaN HEMT（High Electron Mobility Transistor,HEMT）器件因采用高迁移率、高面密度的二维电子气（two dimensional electron gas,2DEG）形成导电沟道,而具有导通电阻低,输出电流大,开关速度快,工作频率高等优势,这使AlGaN/GaN HEMT成为GaN基功率开关器件中最受关注的结构。击穿电压（BV）和比导通电阻(Ron,sp)是决定功率器件特性的主要性能。由于自发极化效应产生的二维电子气,AlGaN/GaN HEMT器件通常表现为耗尽型器件,这使其不适用于数字电路集成,同时较低的BV严重限制了其高功率应用。因此,为了获得高耐压增强型GaN基器件,本文基于AlGaN/GaN异质结结构设计了两种器件,所设计的器件既能利用结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor,JFET）结构的优势,也可以兼具AlGaN/GaN异质结二维电子气各项优点,具有高压高功率的性能优势。进一步,将新结构器件与常规AlGaN/GaN HEMT进行优化对比,减少横向AlGaN/GaN HEMT器件存在的电流崩塌、沟道电场分布不均匀引起的器件不稳定性及过早击穿等问题。通过对表面电场进行优化,提高器件耐压,获得尽可能低Ron,sp和高BV。综上,本文的创新点和主要工作如下: （1）设计了具有漏端轻掺杂（low-density drain,LDD）结构的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件,新结构结合了AlGaN/GaN HEMT和GaN JFET的优点。在关断状态下N型GaN缓冲层被P型GaN区域从任意一侧完全耗尽,从而实现正常关断操作。通过将氟离子掺入AlGaN层中形成LDD区域,提供固定负电荷,可以起到调节表面电场和减少2DEG密度的作用,从而实现电位的重新分布和峰值的降低。仿真结果表明,具有LDD结构的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT的阈值电压为1.44V。与传统AlGaN/GaN HEMT相比,在漂移区长度均为5μm的情况下将BV由518V提升至914.8V,提高幅度约为76%;相应的比导通电阻Ron,sp为2.03m?·cm2,器件优值达到411.4MW/cm2。（2）设计了具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件。新的器件可以有效优化表面电场和体电场,从而提高BV。根据Sentaurus TCAD的仿真结果,具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT获得了1.21V的正阈值电压。将EBL EM-AlGaN/GaN JFET的仿真结果与LDD EM-AlGaN/GaN JFET的击穿性能进行对比,在漂移区长度均为5μm时,BV由914.8V升高至1283V,器件的击穿性能得到大幅度的提升。相应的比导通电阻Ron,sp为2.44m?·cm2。器件优值由411.4MW/cm2提升至679MW/cm2,提高了65%。其次,对具有刻蚀AlGaN层的结型增强栅AlGaN/GaN HEMT器件建立泊松方程,求解在击穿时体内电场和表面电场分布的二维数值模型。进一步改变器件关键参数,通过数学模型分析参数对电场和电势分布的影响,解析模型与仿真结果拟合良好,充分证明了模型的有效性,并可以对器件结构参数优化提供理论指导,为其他GaN器件耐压研究提供新的思路。

关键词： AlGaN/GaN HEMT 击穿电压比导通电阻增强型器件 JFET

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