三维栅控多沟道III族氮化物MOS-HEMT器件研究

This proposal will design suitable for the scalable three-dimensional III-nitride MOS-HEMT device based on multi-channel and multiple back barriers hetero-epitaxial structure. The high quality and high 2DEG density multi-channel and multi-back barrier hetero-epitaxial will be designed based on variable V/III ratio metal organic chemical vapor deposition growth method. This will relieve the strong polarization impact of top barrier. It inserts ultra-thin InGaN barrier layer to form the bottom back-barrier. The inverted trapezoidal groove sidewall morphology will be obtained by control of self-bias voltage, the etching gas composition, and the chamber pressure, which can reduce etching ion the mean free path and increase the lateral etch rate significantly. The high quality gate oxide sidewall interface will be obtained by optimizing the stack structure of high-k dielectric and atomic layer deposition process condition. Three-dimensional side-wall gate device structure will solve the threshold inconsistencies. Therefore, the project has the scientific significance in multi-channel microwave power III-nitride device. It provides helpful references and bases for both device structure designers and process designers.

本课题将基于多沟道、多背势垒的III族氮化物异质外延结构，研制适合进行等比例缩小的三维栅控多沟道III族氮化物MOS-HEMT器件。研究的内容包括：基于阶变V/III比技术的金属有机化合物化学气相淀积生长方法，缓解顶层势垒层的强极化耦合影响，并采用超薄InGaN背势垒插入层，生长出高面电荷、多背势垒结构的多沟道III族氮化物异质结外延材料；通过合理控制反应腔体的自偏电压、刻蚀气体组分、反应腔体压力等工艺参数，减少刻蚀离子的平均自由程，使得横向刻蚀速率显著提高，获得倒梯形的侧墙槽栅形貌；通过优化原子层淀积的工艺条件和叠层的high-k栅介质结构，获得高质量的栅氧侧墙界面，形成三维栅控的器件结构，解决多沟道器件导通不一致的问题。本项目在研究多沟道III族氮化物微波功率器件方面有着重要的科学意义，为微波器件结构和工艺设计提供了有力的参考和依据。

本课题将基于多沟道、多背势垒的III族氮化物异质外延结构，研制适合进行等比例缩小的三维栅控多沟道III族氮化物MOS-HEMT器件。研究的内容包括：基于阶变V/III比技术的金属有机化合物化学气相淀积生长方法，缓解顶层势垒层的强极化耦合影响，并采用超薄InGaN背势垒插入层，生长出高面电荷、多背势垒结构的多沟道III族氮化物异质结外延材料；多异质结材料中螺位错和刃位错的密度分别小于200arcsec和700arcsec，材料的方块电阻小于120Ω/□，面电荷密度达到3.5×1013cm-2，迁移率达到1600cm2/Vs；通过合理控制反应腔体的自偏电压、刻蚀气体组分、反应腔体压力等工艺参数，减少刻蚀离子的平均自由程，使得横向刻蚀速率显著提高，获得倒梯形的侧墙槽栅形貌；通过优化原子层淀积的工艺条件和叠层的high-k栅介质结构，获得高质量的栅氧侧墙界面，形成三维栅控的器件结构，解决多沟道器件导通不一致的问题。三维栅控多沟道III族氮化物MOS-HEMT 器件的饱和电流密度达到2.5A/mm，器件的欧姆接触电阻小于0.03Ohm-mm，器件的关态漏电小于1×10-11A，亚阈值摆幅小于80mV/dec，三维栅控多沟道III 族氮化物MOS-HEMT 器件的电流崩塌效应得到了有效抑制，漏极电应力可靠性得到明显改善。本项目在研究多沟道III族氮化物微波功率器件方面有着重要的科学意义，为微波器件结构和工艺设计提供了有力的参考和依据。