Luận án Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRANSISTOR CÓ ĐỘ LINH ĐỘNG ĐIỆN TỬ CAO DỰA TRÊN GaN

Ngành:

Vật lý kỹ thuật

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tiến sĩ này tập trung vào "Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN". Đề tài được thực hiện trong bối cảnh các linh kiện bán dẫn Silic đã đạt giới hạn phát triển, thúc đẩy tìm kiếm vật liệu mới như GaN. Các transistor GaN/AlxGa1-xN HEMT nổi bật với tần số làm việc, nhiệt độ hoạt động, điện trường đánh thủng và vận tốc chuyển động điện tử cao, là lựa chọn tối ưu cho ứng dụng bán dẫn năng lượng mới. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức về sai lệch cấu trúc mạng tinh thể, thất thoát dòng cực cửa và điện trở tiếp xúc lớn.

Mục tiêu chính của luận án là tìm hiểu tổng quan về vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT, thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc linh kiện, phát triển quy trình công nghệ chế tạo điện cực, và nghiên cứu công nghệ chế tạo màng high-k cho cấu trúc MOS HEMT. Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô hình hóa, mô phỏng (MD, Ab initio, Matlab) và chế tạo thử nghiệm linh kiện GaN HEMT, bao gồm thiết kế MASK, quang khắc, ăn mòn, lắng đọng màng mỏng.

Luận án đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Về mô phỏng, đã tối ưu hóa cấu trúc HEMT, cho thấy lớp mũ GaN mỏng (~2 nm) và thành phần hợp kim Al25Ga75N giúp tăng phẩm chất linh kiện, đồng thời cấu trúc HEMT có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ và mật độ hạt tải cao. Mô hình hóa linh kiện HEMT và MOS-HEMT đã được xây dựng thành công, có độ tin cậy cao để dự đoán các tính chất của linh kiện và vật liệu high-k.

Về chế tạo, luận án đã thành công trong việc chế tạo thử nghiệm linh kiện HEMT. Cụ thể, đã tạo được tiếp xúc Ohmic với điện trở suất pc = 1.08 × 10^-7 Ωcm² tại độ sâu ăn mòn 18.35 nm và nhiệt độ ủ tối ưu 650°C, thấp hơn đáng kể so với các nghiên cứu trước đây. Các tiếp xúc Schottky cũng được chế tạo. Các thông số cơ bản của linh kiện HEMT đã chế tạo bao gồm điện trở tiếp xúc Rtx = 8.34 × 10^-7 Ωcm², dòng máng bão hòa IDS = 80 mA (tại VG = 2V, VDS = 4.5V), điện thế bắt đầu bão hòa Vpinchoff ~5V, điện thế đánh thủng Vbreakdown > 100V, và độ hỗ dẫn Gm = 165 mS/mm.

Ngoài ra, luận án đã chế tạo thành công lớp điện môi high-k Al2O3 trên đế Si bằng phương pháp ALD, với độ dày tăng tuyến tính 1.0 Å/chu kỳ. Cấu trúc MOS Au/ALD-HfO2/GaN trên đế bán dẫn Si cũng được chế tạo và khảo sát đặc trưng điện. Các nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển linh kiện GaN HEMT hiệu suất cao, đáp ứng yêu cầu của công nghệ điện tử công suất hiện đại.

Mục lục chi tiết:

• Đặt vấn đề

  • 1. Lý do chọn đề tài
  • 2. Mục tiêu của luận án
  • 3. Phương pháp nghiên cứu
  • 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

• 5. Các kết quả mới của luận án

• 6. Cấu trúc của luận án

  • Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN và linh kiện GaN HEMT
  • Chương 2: Mô phỏng vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT
  • Chương 3: Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện HEMT
  • Chương 4: Nghiên cứu chế tạo cấu trúc MOS - HEMT sử dụng lớp điện môi high-k

• Chương I. TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN GaN VÀ LINH KIỆN GaN HEMT

  • 1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng
  • 1.2. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng
  • 1.2.1. Hệ số phẩm chất Baliga (Baliga's Figure of merit - BFOM)
  • 1.2.3. Hiệu suất chuyển đổi điện
  • 1.2.3. Công nghệ chế tạo phiến bán dẫn GaN
  • 1.3. Tổng quan về transistor dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử cao
  • 1.3.1. Cấu trúc HEMT cơ bản
  • 1.3.2. Phân cực tự phát và phân cực áp điện
  • 1.3.3. Nguyên lý hoạt động của HEMT
  • 1.3.4. Tiếp giáp Ohmic
  • 1.3.5. Tiếp giáp Schottky
  • 1.3.6. Thiết kế linh kiện GaN HEMT
  • 1.3.6.1. GaN HEMT
  • 1.3.6.2. Linh kiện HEMT ở chế độ nghèo
  • 1.3.6.3. Linh kiện GaN HEMT làm việc ở chế độ tăng cường
  • 1.4. Ứng dụng của linh kiện GaN HEMT
  • Kết luận chương 1

• CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG VẬT LIỆU GaN VÀ LINH KIỆN HEMT

  • 2.1. Mở đầu
  • 2.2. Mô phỏng động lực học phân tử - Molecular Dynamics
  • 2.2.1. Hệ ba nguyên AlxGa1-xN
  • 2.2.2. Nghiên cứu mối tương quan cấu trúc và tính chất cơ học của HfO2 vô định hình dưới tác động của áp suất
  • 2.3. Nghiên cứu các thuộc tính cấu trúc và điện tử của màng siêu mỏng nano GaN bằng phương pháp Nguyên lý ban đầu
  • 2.4. Mô phỏng cấu trúc GaN HEMT bằng phần mềm Matlab
  • 2.4.1. Xây dựng mô hình điện của linh kiện HEMT và MOS-HEMT trên cơ sở bán dẫn AlGaN/GaN
  • 2.4.1.1. Mô hình cơ bản
  • 2.4.1.2. Mô hình mở rộng
  • 2.4.2. Mô phỏng linh kiện HEMT kênh ngắn
  • Kết luận chương 2

• CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN HEMT

  • 3.1. Mở đầu
  • 3.2. Mô tả chung về quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện GaN HEMT
  • 3.3. Thiết kế bộ MASK chế tạo linh kiện HEMT
  • 3.4. Quy trình công nghệ chế tạo GaN HEMT
  • 3.4.1. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn
  • 3.4.2. Quang khắc
  • 3.4.3. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Ohmic
  • 3.4.3.1. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn mục tiêu lên điện trở tiếp xúc
  • 3.4.4. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Schottky
  • 3.4.4.1. Phương pháp thực nghiệm
  • 3.4.7.2. Kết quả và thảo luận
  • 3.4.7.3. Kết quả và thảo luận
  • 3.5. Khảo sát đặc trưng điện của linh kiện thực nghiệm
  • 3.6. Mô phỏng linh kiện đã chế tạo
  • Kết luận chương 3

• CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-к

  • 4.1. Cấu trúc MOS HEMT
  • 4.2. Chế tạo màng mỏng ô-xít Al2O3 trên đế bán dẫn Si bằng phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử
  • 4.2.1. Công nghệ chế tạo
  • 4.2.2. Kết quả đo C-V và tính toán mật độ sai hỏng tại phân biên
  • 4.3. Khảo sát cấu trúc MOS Au/ALD-HfO2/GaN
  • 4.3.1. Ảnh hưởng chất lượng đế lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN
  • 4.3.2. Ảnh hưởng chiều dày lớp ô-xít lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN
  • 4.4. Nghiên cứu tính chất điện của linh kiện MOS HEMT
  • Kết luận chương IV

• Kết luận chung