GaN基金属—铁电体—半导体场效应晶体管关键技术研究

论文摘要

GaN基MISFET是极有应用前景的半导体器件，在其目前的研究中，多采用传统的介质材料，如二氧化硅、氮化硅等。这些材料的介电常数比较低，使得GaN基MISFET器件的工作电压普遍比较高，一般在15V以上。因此，要降低工作电压，可采取降低栅介质层厚度的方法，但减薄栅氧层厚度不仅要增加工艺难度，而且量子效应将非常严重，会引起很大的隧道电流，这将使得器件和电路的静态功耗增加。因此，单纯从工艺上降低器件和电路的工作电压显然不可取，必须寻找更好性能的材料来代替传统的栅介质材料。研究表明，采用高介电常数的栅介质材料将会显著地降低器件的阈值电压，且工艺实现简单。在高介电常数材料中，铁电材料是一类优异的高介电常数材料，且其薄膜材料易与集成电路工艺兼容，在集成电路上有非常广泛的应用。其中，锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3，PZT）是当前应用最广、研究最深入的铁电薄膜材料，它已广泛地应用于存储器、传感器等。制备PZT薄膜有溶胶-凝胶法（Sol-Gel）、射频磁控溅射法、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法、脉冲激光沉积（PLD）法、分子束外延（MBE）法等多种方法。本论文采用目前最先进的溶胶-凝胶方法制备PZT薄膜，该方法不仅制备工艺简单，而且适合制作集成电路工艺要求的大面积成膜。制备PZT薄膜的初始原料为醋酸铅、硝酸锆和钛酸正丁酯，乙二醇甲醚为有机溶剂。由于锆醇盐价格昂贵，而且国内不能提供，所以采用硝酸锆，实现制备材料的国产化。在PZT薄膜的优化配方及优化工艺的基础上，利用现有的条件，成功制备了Si基和GaN的MFS结构。利用Keithley 590 C-V分析仪测试了Si基和GaN基MFS结构的电容-电压曲线。基于MFS器件结构，研究并给出了开启电压模型和电容-电压模型。采用Medici器件模拟软件模拟了器件开启电压和源漏电流的关系，模拟结果表明，采用PZT薄膜栅介质材料可显著降低GaN基MIS的工作电压。本论文工作为研究、设计及制作低压低功耗GaN基MFS-FET和MIS高电子迁移器件提供了有益的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1. 1 GAN基MIS器件的研究进展
• 1. 2 本论文的主要工作
• 第二章 材料特性
• 2. 1 氮化镓材料特性
• 2. 1. 1 氮化镓的晶体结构
• 2. 1. 2 氮化镓的电学参数
• 2. 2 锆钛酸铅（PZT）材料的特性
• 2. 2. 1 铁电体的定义
• 2. 2. 2 锆钛酸铅（PZT）的结构
• 2. 2. 3 铁电材料的电学特性
• 2. 3 本章小结
• 第三章 实验制备
• 3. 1 GAN材料的工艺技术
• 3. 1. 1 GaN材料制备的衬底材料选择
• 3. 1. 2 GaN材料的生长方法
• 3. 2 PZT薄膜制备工艺技术
• 3. 2. 1 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）
• 3. 2. 2 真空蒸发法
• 3. 2. 3 溅射法
• 3. 2. 4 脉冲激光沉积法（PLD，pulse laser deposition）
• 3. 2. 5 化学气相沉积法CVD（chemical vapor deposition）
• 3. 2. 6 分子束外延法（MBE）
• 3. 3 PZT薄膜的溶胶-凝胶制备原理和方法
• 3. 3. 1 Sol-Gel法薄膜制备技术的基本原理
• 3. 3. 2 PZT薄膜制备所需药品
• 3. 3. 3 实验步骤
• 3. 4 本章小结
• 第四章 MFS结构的电学模型和实验结果分析
• 4. 1 传统MOS结构C-V和阈值电压理论
• 4. 1. 1 理想的MOS结构C-V
• 4. 1. 2 实际的MOS C-V曲线
• 4. 1. 3 阈值电压
• 4. 2 铁电薄膜的C-V特性
• 4. 2. 1 Zuleeg-Dey模型
• 4. 2. 2 混合模型
• 4. 3 半导体MFS结构的模型
• 4. 3. 1 铁电薄膜极化的模型
• 4. 3. 2 MFS的C-V特性及分析
• 4. 4 GAN基的MFS的电学特性
• 4. 4. 1 GaN基的MFS的阈值电压计算
• 4. 4. 2 MFS-FET的电流模型
• 4. 5 GAN基MFS结构的模拟和测试
• 4. 5. 1 GaN基MFS和MIS结构的模拟
• 4. 5. 2 测试条件
• 4. 5. 3 测试结果和分析
• 4. 6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果