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高温环境及大电流密度应力下GaN基欧姆接触退化机理的研究

2020-12-07阅读(945)

高温环境及大电流密度应力下GaN基欧姆接触退化机理的研究

论文摘要

GaN半导体材料以其宽带隙、电子饱和速度高等优点,在高温、大功率微波器件领域成为人们研究关注的重要材料。做为潜在的极端恶劣环境下工作的GaN器件,器件参数在恶劣环境下的退化和可靠性问题,成为当前研究热点之一。欧姆接触是衡量半导体器件退化及可靠性的重要的基本参数,也是器件中必须解决的问题之一,特别是对于高温环境以及大电流密度工作下的场效应管器件或发光器件,接触电阻率小、热稳定性好的欧姆接触是器件必须具备的。本文对GaN基欧姆接触在高温环境（>300℃）,以及大电流密度下的退化特性进行了深入研究。在试验和理论方面,主要完成了以下几个方面的研究工作:一、欧姆接触高温环境测试系统的搭建与开发。本测试系统分为硬件与软件两部分。对于硬件部分:基于满足高温（500℃）的要求设计了RS-3000高温箱式炉,设计了镍包铜高温导线可以满足耐高温低阻的要求;为达到测试精度,应用扫描卡快速扫描被测各点电压,保证了被测各点是在同一温度下采集数据。对于软件部分,应用VB自主开发可视化程序,对高温炉、KEITHLEY电流源等进行控制,且可实现自动化测量样品,数据自动保存。二、GaN基欧姆接触高温特性的研究。制备了多种不同合金系统、不同掺杂浓度样品,主要包括:Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Au/Pt/Au,掺杂浓度分为:3.7×1017cm-3, 3.0×1018cm-3两种。并将测试温度提升至500℃,结果表明:所有样品的接触电阻率均随环境温度的升高而增加;重掺杂样品的热稳定性优于轻掺杂样品;所有样品的接触电阻率均随存储温度升高而增加,随存储时间而增加;同时接触电阻率出现不可恢复退化特性;对样品存储前后进行X射线能谱与俄歇电子能谱测试分析后表明,欧姆接触退化是由于Ni阻挡层不够厚使得接触层及盖帽层金属相互渗入渗出,从而破坏了良好的欧姆接触。三、设计了大电流密度下欧姆接触电阻率的退化测试的新方法和结构,并申报了发明专利。该测试方法基于传统的TLM法,在常规的接触电极A旁边接入附属电极B,A部分为传统的传输线法结构,B部分每相邻电极间均为绝缘衬底层,A,B部分接触电极间由半导体材料相连接。首先对A,B间加考核电流（一定时间内加一定的电流密度）,然后断开A,B间考核电流,只对A部分进行测量相邻电极之间的总电阻及间距,应用传输线法作图并计算得到A部分欧姆接触退化后的接触电阻率。使用本发明的结构和测量方法,能避免考核电流对半导体材料的损伤,准确评估欧姆接触退化程度。拓展了传统TLM法的应用范围和领域。四、大电流密度下欧姆接触样品工艺制备的研究。对样品在制备中可能存在的问题做了科学的分析并提出了解决方案,解决了关键工艺问题,成功制备出了基于大电流密度实验样品。对试验前后的样品进行扫描电镜分析,对样品形貌,化学组分以能谱的形式进行分析,结果表明大电流密度下发生了金属离子扩散是造成样品失效的主要原因。五、基于可靠性数学理论模型,通过SPSS（Statistical Package for the Social Sciences）作图法判断拟合检验分布,利用参数估计得到相关参数量值,计算激活能并得到寿命;最后计算得到样品的失效率。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题研究的背景及意义
  • 1.1.1 背景
  • 1.1.2 意义
  • 1.2 国内外的研究现状
  • 1.3 研究内容
  • 第2章 欧姆接触原理与可靠性数学理论
  • 2.1 金属－半导体接触原理
  • 2.1.1 欧姆接触理论
  • 2.1.2 肖特基接触理论
  • 2.1.3 欧姆接触材料的选取
  • 2.2 欧姆接触电阻率的测量
  • 2.2.1 TLM法
  • 2.2.2 CTLM法
  • 2.3 可靠性数学理论
  • 2.3.1 引言
  • 2.3.2 失效因素
  • 2.3.3 阿伦尼斯失效模型
  • 2.3.4 数学方法判断寿命分布
  • 2.4 作图法判断失效分布
  • 2.5 参数估计
  • 2.5.1 指数分布
  • 2.5.2 正态分布
  • 2.5.3 对数正态分布
  • 2.6 失效率计算
  • 2.6.1 指数分布
  • 2.6.2 正态分布的失效率
  • 2.6.3 对数正态分布
  • 2.7 寿命的外推
  • 2.8 本章小结
  • 第3章 欧姆接触高温测试系统的研究与开发
  • 3.1 引言
  • 3.2 高温测量中的难点
  • 3.3 方案一中高温测试装置的设计与搭建
  • 3.3.1 测试系统结构
  • 3.3.2 测试系统各组成单元
  • 3.4 测试系统设计方案二
  • 3.4.1 设计思路
  • 3.4.2 测试系统平面结构
  • 3.4.3 测量平台的设计
  • 3.4.4 底层Si片的设计与制作
  • 3.4.5 存在的问题分析
  • 3.5 高温测试装置的软件开发
  • 3.5.1 VB控件介绍
  • 3.5.2 串口协议的简单介绍
  • 3.5.3 VB实现串口的设计和程序
  • 3.6 系统搭建测试过程
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 GaN基欧姆接触高温特性的研究
  • 4.1 n-GaN 的欧姆接触合金系列
  • 4.2 p 型 GaN 材料的欧姆接触
  • 4.3 研究方案
  • 4.4 欧姆接触版图设计
  • 4.5 n-GaN 欧姆接触工艺制备
  • 4.5.1 工艺制备流程
  • 4.6 高温测试所需的样品种类
  • 4.7 不同合金金属欧姆接触的高温特性
  • 4.7.1 n-GaN/Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的高温特性
  • 4.7.2 n-GaN/Ti/Al/Pt/Au与n-GaN/Ti/Au/Pt/Au的比较研究
  • 4.8 失效率计算
  • 4.8.1 失效分布判别
  • 4.8.2 参数估计
  • 4.8.3 失效率计算
  • 4.9 激活能计算
  • 4.10 本章小结
  • 第5章 大电流密度下欧姆接触退化机理的研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 问题的提出
  • 5.3 改进的结构及测量方法的提出
  • 5.4 版图设计
  • 5.4.1 欧姆接触尺寸大小的设计
  • 5.4.2 版图设计
  • 5.5 大电流密度欧姆接触样品的工艺实现
  • 5.5.1 大电流密度欧姆接触样品工艺制备流程图
  • 5.5.2 工艺制备步骤介绍
  • 5.6 封装
  • 5.7 大电流欧姆接触样品的测试与讨论
  • 5.8 电流应力前后的组分分析
  • 5.9 大电流下LED的测试分析
  • 5.9.1 引言
  • 5.9.2 温升与热阻的测量原理
  • 5.9.3 瞬态加热响应原理
  • 5.9.4 加热响应曲线与温升和热阻构成的关系
  • 5.9.5 应用瞬态加热原理对器件封装结构的分析
  • 5.10 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 在读博士学位期间发表的学术论文
  • 致谢
  • 附录

    • 相关论文文献

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