高溫環(huán)境及大電流密度應(yīng)力下GaN基歐姆接觸退化機(jī)理的研究.pdf

1、GaN半導(dǎo)體材料以其寬帶隙、電子飽和速度高等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、大功率微波器件領(lǐng)域成為人們研究關(guān)注的重要材料。做為潛在的極端惡劣環(huán)境下工作的GaN器件，器件參數(shù)在惡劣環(huán)境下的退化和可靠性問題，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。歐姆接觸是衡量半導(dǎo)體器件退化及可靠性的重要的基本參數(shù)，也是器件中必須解決的問題之一，特別是對(duì)于高溫環(huán)境以及大電流密度工作下的場(chǎng)效應(yīng)管器件或發(fā)光器件，接觸電阻率小、熱穩(wěn)定性好的歐姆接觸是器件必須具備的。 本文對(duì)GaN基歐姆接觸

2、在高溫環(huán)境(>300℃)，以及大電流密度下的退化特性進(jìn)行了深入研究。在試驗(yàn)和理論方面，主要完成了以下幾個(gè)方面的研究工作： 一、歐姆接觸高溫環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)的搭建與開發(fā)。本測(cè)試系統(tǒng)分為硬件與軟件兩部分。對(duì)于硬件部分：基于滿足高溫(500℃)的要求設(shè)計(jì)了RS-3000高溫箱式爐，設(shè)計(jì)了鎳包銅高溫導(dǎo)線可以滿足耐高溫低阻的要求；為達(dá)到測(cè)試精度，應(yīng)用掃描卡快速掃描被測(cè)各點(diǎn)電壓，保證了被測(cè)各點(diǎn)是在同一溫度下采集數(shù)據(jù)。對(duì)于軟件部分，應(yīng)用VB自主開

3、發(fā)可視化程序，對(duì)高溫爐、KEITHLEY電流源等進(jìn)行控制，且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量樣品，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。 二、GaN基歐姆接觸高溫特性的研究。制備了多種不同合金系統(tǒng)、不同摻雜濃度樣品，主要包括：Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Au/Pt/Au，摻雜濃度分為：3．7×1017cm-3，3．0× 1018cm-3兩種。并將測(cè)試溫度提升至500℃，結(jié)果表明：所有樣品的接觸電阻率均隨環(huán)境溫度的升高而增加；重?fù)诫s樣品的熱穩(wěn)定

4、性優(yōu)于輕摻雜樣品：所有樣品的接觸電阻率均隨存儲(chǔ)溫度升高而增加，隨存儲(chǔ)時(shí)間而增加；同時(shí)接觸電阻率出現(xiàn)不可恢復(fù)退化特性；對(duì)樣品存儲(chǔ)前后進(jìn)行X射線能譜與俄歇電子能譜測(cè)試分析后表明，歐姆接觸退化是由于Ni阻擋層不夠厚使得接觸層及蓋帽層金屬相互滲入滲出，從而破壞了良好的歐姆接觸。 三、設(shè)計(jì)了大電流密度下歐姆接觸電阻率的退化測(cè)試的新方法和結(jié)構(gòu)，并申報(bào)了發(fā)明專利。該測(cè)試方法基于傳統(tǒng)的TLM法，在常規(guī)的接觸電極A旁邊接入附屬電極B，A部分為傳統(tǒng)

5、的傳輸線法結(jié)構(gòu)，B部分每相鄰電極間均為絕緣襯底層，A，B部分接觸電極間由半導(dǎo)體材料相連接。首先對(duì)A，B間加考核電流(一定時(shí)間內(nèi)加一定的電流密度)，然后斷開A，B間考核電流，只對(duì)A部分進(jìn)行測(cè)量相鄰電極之間的總電阻及間距，應(yīng)用傳輸線法作圖并計(jì)算得到A部分歐姆接觸退化后的接觸電阻率。使用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法，能避免考核電流對(duì)半導(dǎo)體材料的損傷，準(zhǔn)確評(píng)估歐姆接觸退化程度。拓展了傳統(tǒng)TLM法的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。 四、大電流密度下歐姆接觸樣品

6、工藝制備的研究。對(duì)樣品在制備中可能存在的問題做了科學(xué)的分析并提出了解決方案，解決了關(guān)鍵工藝問題，成功制備出了基于大電流密度實(shí)驗(yàn)樣品。對(duì)試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行掃描電鏡分析，對(duì)樣品形貌，化學(xué)組分以能譜的形式進(jìn)行分析，結(jié)果表明大電流密度下發(fā)生了金屬離子擴(kuò)散是造成樣品失效的主要原因。 五、基于可靠性數(shù)學(xué)理論模型，通過SPSS(Statistical Package for the SocialSciences)作圖法判斷擬合檢驗(yàn)分布，利用參