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1、多栅指构造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当前位置：文档视界多栅指构造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多栅指构造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
2、的应用前景，本论文主要围绕多栅指构造GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计这两方面展开了下面详细工作：1调研多栅指构造GaN基场效应晶体管器件的工作原理和基本特性,把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的版图模型以到达预期目的。以GaN为代表的族氮化物半导体材料，因其应用前景诱人以及宏大的市场潜力必定会引起剧烈的市场竞争。所以研发多栅指构造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AbstractWidebandgapsemiconductorm
3、aterialsaregenerallydefinedassemiconductormaterialswithabandgapgreaterthanorequalto2.3eV.Galliumnitride(GAN)isdevelopedinrecentyearsandhasbeenoneofthewidelyusedwidebandgapsemiconductormaterial.Thematerialhasalargebandgapandthermalconductivityofhigh,lowdielectricconstant,saturatedelectrondrifthighspe
4、edcharacteristics,hasagreatadvantageintheproductionofhigh-temperature,high-frequency,highpowerandmakingofantiradiationofelectronicdevices,duetothecharacteristicsofGanwidebandgap,andcanmakeUV,greenandbluelaseroptoelectronicdevices.Basedontheapplicationoftheadvantagesofthematerialsanddevices,thispaper
5、mainlyfocusonmultigatestructureGaNbasedfieldeffecttransistordeviceprocessandlayoutdesignofthefollowingspecificwork：1)researchontheprincipleandbasiccharacteristicsofthemultigatefingerstructureGaNbasedfieldeffecttransistordevice,andmasterthekeytechnologyofthedevicetechnology；2)thelayoutmodelofHFETAlGa
6、N/GaNisdesignedbyL-EDITTannerlayoutsoftwaretoachievetheexpectedgoal.ThenitridesemiconductormaterialrepresentedbyGaN,becauseofitspotentialapplicationsandhugemarketpotential,willinevitablyleadtofiercemarketcompetition.SotheresearchanddevelopmentofmultigatereferstothestructureoftheGaNbasedtransistordev
7、icesbecomescientiststoseizethekeytothehightechareaofstrategichighground.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
8、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)第五章结束语与将来工作瞻望(21)5.1结束语(21)5.2将来工作瞻望(21)参考文献(22)致谢(23)第一章绪论1.1GaN材料的性质和特点现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。下面将从GaN家族以及GaN本身两方面来介绍GaN材料的性质和特点。首先从GaN家族这一方面来讲：在族
9、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，因而氮化镓基材料体系可称为半导体材料的华美家族。而再从GaN本身来讲：GaN是族氮化物中最基本的材料，也是目前研究最多的族氮化物材料。氮化镓的构造稳定性很好，其材料非常坚硬，在室温下融点较高。同时还具有下面几个特点：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。2GaN元器件的发热量很低，且同与工作极限温度约为175的Si、GaAs
10、元器件相比，电路的冷却系统能够得到简化。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/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。正是由于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A1GaNGaN异质结材料为基础而制造的GaN基器件AlGaN/GaNHFET一直作
11、为热门而引起广大研究人员的关注，通太多年来研究者们在AlGaN/GaNHFET器件研究领域的不断深化，AlGaN/GaNHFET器件的特性到达了史无前例的高度。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，但是还是存在很多本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基材料器件方面均获得了进展。从1928年W.C.JollIlson等人合成GaN材料标志着对GaN材料
12、研究开场。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参加材料中，并成功获得了AlGaN/GaNHEMT样品，为AlGaN层Al含量和厚度提供根据。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
13、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器件的研究来讲还是有遭到一定条件的限制，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获得了很大的进展的，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Ga
14、N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，进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愈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构造GaN基场效应晶体管半导体器件以优良的特性、诱人的应用前景和宏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构造GaN基场效应晶体管器件工艺及版图设计这两方面展开了下面详细工作：1调研多栅指构造GaN基场效应晶体管器件的工作原理和基本特性,把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
15、AlGaN/GaNHFET的版图模型以到达预期目的。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；当前位置：文档视界多栅指构造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多栅指构造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，就是由于具有这
16、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构造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的器件在性能上面获得了很大进步,但器件再应用中还是会存在很多问题,进而大大制约了AlGaN/GaNHFET器件的发展。因而，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、A
17、lGaN/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N/GaNGaAlx-1x应变异质构造，其极化强度和束缚面电荷分布示意图如下。N/GaNGaAlx-1x异质构造中极化效应在AlGaN层的上外表所产生的高面密度负束缚电荷也会在外表构成补偿的正电荷吸附层。在实际器件应用中AlGaN/GaN异质构造的AlGaN层上外表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挤金属中自由电子在外表是构成补偿的正电荷吸附层。a极化强度和b束缚电荷分布示意图图2.1AlGaN/GaN应变异质构造二维电子气的分布：在AlGaN/GaN异质构造中，存在有自发极化和
18、压电极化效应并且由其在界面处产生的束缚面电荷，在外表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AIGaNGaNHFET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,在很多方面获得了飞速的发展,除了异质结材料生长以外,器件研制方面也提出了很多新的改良措施。在A1GaN/GaNHFET工作时，A1GaN/GaN异质构造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。其详细工作情况如下：如图
19、2.3所示，分别在A1GaN/GaNHFET的栅源和漏源之间加上偏置电压，进而产生了一定的电场。在漏源电压作用下,构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构成的。图2.3AlGaN/GaNHFET的简化构造图图2.4室温栅偏压下AlGaN/GaN源漏间I-V曲线EcEf肖特基栅极上的电压的改变能够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AlGaNGaN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，进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
20、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：)V-(Vn-Vn/VqVIDsatGGGs2DDsatsatDsat=错误！未找到引用源。(2-5)其饱和区的跨导为：Gs2DsatDmvnvqwG=(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是电流到达饱和时的漏电压。长栅器件电流电压关系为：?=CEDsatCVV-V2DDsatduUnqwu/LI错误！未找到引用源。2-7其中L为栅长，W为栅宽，为电子迁移率。其长栅器件的跨导为：Gs2DmV/nq
21、wLG=2-8综合以上我们能够知道，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。即缩短栅长能够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多栅指器件的简介如今的新型研究的多栅指构造是很有潜力的器件构造，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要一个单独的栅极，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
22、功耗、减少电流间的互相干扰。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实了多栅指构造场效应晶体管在性能上所表现出来的众多优势，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所示为一些多栅构造的示意图。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
23、实现根本改良，进而引发新一代功率器件技术的革命性突破。诸多新材料中，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构造中，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构造。在GaN材料以及AlGaN/GaN器件的研究经过中能够发现材料的性能其中截止频率只要是遭到器件的栅极长度的影响，栅极的长度变短会加强截止频率但是电阻会变大，但是在这个的前提条件下，假如要增大功率就必须加强栅长。因而为了放大器件的功率，因此我们考虑用多栅构造，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进而能够更好的把握多栅指GaN基场效应晶体管器件的原理。