臺灣博碩士論文加值系統

由於氮化鎵優越的材料特性，使得其在高頻功率元件的應用上具有極大的潛力，儘管氮化鎵的電子遷移率相對於砷化鎵電子遷移率並不高，但是其卻擁有3.4 eV的寬能隙，以及熱穩定性良好，其寬能隙的特性，使氧化物閘極元件能夠操作在高崩潰電壓140V，有蒸鍍氧化層閘極次臨限斜率比沒有氧化層小，代表閘極開關速度快，傳導增益以氧化鑭132mS/mm比沒氧化層大亦代表閘極偏壓微幅改變下就可以驅動更大的汲極電流，以此為中心，研究閘極有氧化層和沒有氧化層的差別。此論文章節分為氮化鎵簡介、氧化物材料分析、元件特性量測、靜電測試。
這次利用氮化鎵為底材，高真空電子束蒸鍍系統通以氧氣蒸鍍氧化鑭/氧化釓在氮化鎵高電子移導率場效電晶體之閘極下方，並施以高溫退火，得到高品質氧化層，介電常數求得氧化鑭為30.45，氧化釓為21.49，在製程上鍍不同氧化層為氧化鑭/氧化釓，分別研究其閘極電性曲線特徵和利用靜電槍MiniZap ESD Simulators(MZ-15)量測ESD觀察其變化，並成功利用製程上蒸鍍一層金，避免電荷堆積在元件，造成靜電使元件損壞。

Gallium nitride is a binary III / V direct bandgap semiconductor. It’s wide band gap of 3.4 eV, high-power and high-frequency devices. GaN can work at much hotter temperatures and run at much higher voltages than gallium arsenide transistors. They are perfect materials for power amplifiers at microwave frequencies. The high breakdown is 140V of La2O3. On the other hand, Gmax is 132mS/mm of La2O3. The paper consists of several parts : introduction, analysis materials and current characteristic for oxide layers (Gd2O3/La2O3), electrostatic discharge test, and so on.
We implanted different oxide layers on GaN. In this case, we’re particularly interested in improving the power performance by inserting the thin lanthanum/gadolinium oxide layer on the bottom of conventional Ni/Au gate in AlGaN/GaN HEMT fabrication. The dielectric constant of Gd2O3/La2O3 are about 21.49/30.45 which provide a high channel control ability in FET. Study on measurement of results and ESD. We found gold plating process, the ESD damages could be prevented.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 ………………………………………………………………… iii
簽署人須知 …………………………………………………………… iii
誌謝 …………………………………………………………………… iv
中文摘要 ……………………………………………………………… v
英文摘要……………………………………………………………… vi
第一章 緒論 …………………………………………………………… 1
§1.1 簡介 ………………………………………………………………1
§1.2 論文架構 …………………………………………………………2
第二章 氮化鎵高電子移導率場效電晶體及金氧半電晶體理論基礎..3
§2.1 簡介 ……………………………………………………………… 3
§2.2 氮化鎵高電子移導率場效電晶體 ……………………………… 3
§2.3 金氧半電晶體 …………………………………………………… 5
§2.4 氮化鎵應用市場趨勢 …………………………………………… 7
第三章 閘極氧化層氧化鑭氧化釓材料分析 ………………………… 9
§3.1 簡介 ……………………………………………………………… 9
§3.2 X射線光電子能譜材料分析 …………………………………… 9
§3.3 X射線繞射材料分析 …………………………………………… 14
第四章 氧化物閘極用於氮化鎵高電子移導率場效電晶體 ……………18
§4.1 簡介 ……………………………………………………………… 18
§4.2 理論分析 ………………………………………………………… 18
§4.3氧化物閘極用於氮化鎵高電子移導率場效電晶體製程 …………20
§4.4 量測結果與討論 ………………………………………………… 30
4.4.1 電容電壓(C-V)特徵曲線量測 …………………………………30
4.4.2 介面能態密度 ……………………………………………………33
4.4.3 直流電性量測 ……………………………………………………35
4.4.4 高頻特性 …………………………………………………………39
第五章 氧化物氮化鎵高電子移導率場效電晶體靜電測試 ……………43
§5.1 簡介 ……………………………………………………………… 43
§5.2 靜電產生現象 …………………………………………………… 43
5.2.1 機器裝置放電模式 …………………………………………… 44
5.2.2 元件放電模式 ………………………………………………… 44
5.2.3 人體放電模式 ………………………………………………… 44
§5.3 電子產品之ESD 防制設計 ……………………………………… 45
5.3.1 硬體失效 ……………………………………………………… 45
5.3.2 潛在性失效 …………………………………………………… 46
5.3.3 場強感應失效 ………………………………………………… 46
5.3.4 ESD防制對策 …………………………………………………… 46
§5.4 靜電放電測試方式以及結果 …………………………………… 47
5.4.1 ESD在源級端輸入測試結果 …………………………………… 49
5.4.2 ESD在閘極端輸入測試結果 …………………………………… 52
§5.5 ESD改善實驗 …………………………………………………… 54
第六章 結論 …………………………………………………………… 57
參考文獻 ………………………………………………………………… 59
圖目錄
圖 2-1 金氧半場效電晶體( MOSFET ) ……………………………… 6
圖 3-1 XPS分析示意圖 ………………………………………………… 10
圖 3-2 氧化釓XPS材料分析(通氧量5sccm) ………………………… 11
圖 3-3 氧化釓XPS材料分析(通氧量10sccm) …………………………11
圖 3-4 氧化釓XPS材料分析(通氧量15sccm) …………………………12
圖 3-5 氧化釓XPS材料分析(通氧量20sccm) …………………………12
圖 3-6 氧化鑭XPS材料分析(通氧量5sccm) ………………………… 13
圖 3-7 氧化鑭XPS材料分析(通氧量10sccm) …………………………13
圖 3-8 氧化鑭XPS材料分析(通氧量15sccm) …………………………14
圖 3-9 氧化鑭XPS材料分析(通氧量20sccm) …………………………14
圖 3-10 布拉格幾何關係圖 …………………………………………… 16
圖 3-11 氧化釓XRD材料分析圖 ……………………………………… 17
圖 3-12 氧化鑭XRD材料分析圖 ……………………………………… 17
圖 4-1 氮化鎵試片磊晶結構 …………………………………………… 19
圖 4-2 元件隔離蝕刻製程步驟 ………………………………………… 21
圖 4-3 歐姆接觸製程示意圖 …………………………………………… 24
圖 4-4 閘極蕭基接觸製程示意圖 ……………………………………… 25
圖 4-5 元件金屬連接線製程步驟 ……………………………………… 27
圖 4-6 元件鈍化層製程步驟 …………………………………………… 29
圖 4-7 元件製程生產示意圖 …………………………………………… 29
圖 4-8 Ni金屬電容特性圖 ……………………………………………… 31
圖 4-9 氧化物10KHz電容特性圖……………………………………… 32
圖 4-10 氧化物100KHz電容特性圖…………………………………… 32
圖 4-11 氧化層1MHz比較電容特性圖 ………………………………… 33
圖 4-12 氧化釓C-V曲線圖 ………………………………………………34
圖 4-13 氧化鑭C-V曲線圖 ………………………………………………34
圖 4-14 電壓電流特性曲線 …………………………………………… 36
圖 4-15 元件電流與轉導圖 …………………………………………… 37
圖 4-16 On-off ratio / S.S特性比較圖………………………… 38
圖 4-17 電流截止頻率/功率增益截止頻率比較圖 ………………… 41
圖 4-18 高頻增益圖 (From S-parameter measurement) ………42
圖 5-1 MiniZap ESD Simulators(MZ-15) ……………………… 48
圖 5-2 ESD測試示意圖 ………………………………………………… 49
圖 5-3 材料Ni在源級輸入ESD元件崩潰圖 …………………………… 50
圖 5-4 材料氧化釓在源級輸入ESD元件崩潰圖 ……………………… 50
圖 5-5 材料氧化鑭在源級輸入ESD元件崩潰圖 ……………………… 51
圖 5-6 輸入ESD元件崩潰示意圖 ……………………………………… 51
圖 5-7 輸入ESD前元件閘極正常示意圖 ……………………………… 52
圖 5-8 輸入ESD元件閘極快崩潰示意圖 ……………………………… 52
圖 5-9 材料Ni在閘極輸入ESD元件崩潰圖 …………………………… 53
圖 5-10 材料氧化釓在閘極輸入ESD元件崩潰圖 ………………………53
圖 5-11 材料氧化鑭在閘極輸入ESD元件崩潰圖 ………………………54
圖 5-12 ESD晶圓趨勢圖 …………………………………………………55
圖 5-13 元件鍍金圖 …………………………………………………… 55
圖 5-14 ESD實驗結果晶圓圖 ……………………………………………56
表目錄
表 2-1 寬能隙材料與矽特性比較 ……………………………………4
表 2-2 氮化鎵HEMT/砷化鎵pHEMT/矽LDMOS/IGBT元件比較 ……… 5
表 4-1 氮化鋁鎵/氮化鎵在室溫下霍爾量測特性 ………………………9
表 4-2 電壓電流特性比較表 ……………………………………………36
表 4-3 氧化層次臨限斜率/電流開關比比較表 ……………………… 38
表 4-4 崩潰電壓/導通電壓比較表 …………………………………… 39
表 4-5 電流截止頻率/功率增益截止頻率比較表 …………………… 41
表 5-1 ESD總結比較表 ………………………………………………… 54

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