臺灣博碩士論文加值系統

AlGaN/GaN異質結構場效電晶體近年來在高頻、高功率微波領域上一直是個熱門的研究話題，常運用於下列元件：低雜訊微波放大器、功率微波放大器、高溫元件以及電源供應(power supplier)。
在這研究中，我們利用有機金屬化學氣相沉積法成長不同結構的AlGaN/GaN異質結構於藍寶石和矽基板上，為了研究GaN通道摻雜Si對元件特性的影響，我們分別成長了有摻雜Si的AlGaN/GaN異質結構在矽基板以及藍寶石基板上，並進一步的做電性以及結構上的分析。
樣品的特性主要是由AlGaN/GaN介面所感應之二維電子氣所主宰，其特性可以以電子遷移率、片載子濃度以及片電阻來描述。在文中我們利用I-V和C-V量測來分析我們的樣品，比較有摻雜以及沒有摻雜兩種樣品之間的特性差異，而其細節將會在本篇論文中加以討論。

AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors (HFETs) have been a subject of intensive investigation recently and have emerged as attractive candidates for high voltage, high-power operation at microwave frequencies, such as low noise microwave amplifier、 power microwave amplifier、 high temperature devices and power suppliers.
In this work, we have grown AlGaN/GaN hetero-structures on Sapphire and Si substrates by Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOVPE) respectively. In order to investigate the effect of Si-doped GaN layers on the performance of AlGaN/GaN heterostructures, two groups of AlGaN/GaN with Si-doped GaN layers were studied. One group was grown on Si substrates while the other on sapphire.
Properties of the samples are governed by the two-dimensional electron gas (2DEG) formed in the AlGaN/GaN hetero-junctions, which can be characterized by mobility, sheet carrier concentration and resistance. I-V and C-V properties of AlGaN/GaN hetero-junctions were analyzed. Comparison of mobility and depth-profile between doped and un-doped samples in two groups were made. Details will be discussed in the thesis.

指導教授推薦書………………………………………………………..………………
口試委員會審定書……………………………………………..………………………
國科會授權書……………………………….………………….……………………Ⅲ
誌謝………………………………………….……………………………….………IV
中文摘要……………………………………………………...………………………V
英文摘要……………………………………………………….……………….……VI
目錄………………………………………………………………….………………VII
圖表目錄……………………………………………………………………………. IX
第1章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
第2章 理論 4
2-1 半導體異質結構 4
2-2 金屬接面-蕭特基能障 4
2-3 金屬接面-半導體歐姆接觸 5
2-4 氮化鎵的結構與極化效應 7
2-4.1 氮化鎵的結構 7
2-4.2 壓電極化 8
2-4.3 自發性極化 9
2-4.4 極化片電荷密度 10
2-4.5 二維電子氣片載子濃度 10
2-5 Hall量測 11
2-6 I-V量測 12
2-7 CF與CV量測 13
第3章 實驗步驟與樣品備製 21
3-1 樣品結構 21
3-2 電子槍蒸鍍系統 23
3-3 Shadow Mask樣品備製 23
3-3.1 樣品清洗 24
3-3.2 黃光微影(photolithography) 24
3-4 多功能MASK樣品備製 25
3-5 霍爾量測樣品備製 25
第4章 實驗結果與分析 32
4-1 表面型態分析 32
4-2 I-V與C-V量測分析 32
4-2.1 I-V分析 32
4-2.2 C-V分析 34
4-3 霍爾量測分析 35
第5章 結論與未來展望 56
5-1 結果與討論 56
5-2 未來展望 57

表格 1 1 氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、碳化矽、矽之材料參數比較 3
表格 2 1 氮化鎵的材料特性 15
表格 2 2 AlN、GaN、InN的壓電極化係數與自發極化係數 16
表格 4 1 用來fit樣品683I-V特性圖的數值 37
表格 4 2 用來fit樣品687I-V特性圖的數值 37
表格 4 3 用來fit樣品688I-V特性圖的數值 38
表格 4 4 由兩種不同方法求得的 值 38
表格 4 5 AlGaN/GaN異質結構在室溫下的霍爾量測數據 39

圖 2 1 調變摻雜異質結構形成量子井示意圖 17
圖 2 2 對於 > 理想金屬與半導體蕭特基接觸之前的能帶圖 17
圖 2 3 對於 > 理想金屬與半導體蕭特基接觸熱平衡後的能帶圖 18
圖 2 4 對於 理想金屬與半導體歐姆接觸之前的能帶圖 18
圖 2 5 對於 理想金屬與半導體歐姆接觸後熱平衡的能帶 19
圖 2 6 氮化鎵的wurtzite Ga-face及N-face的晶體結構圖 19
圖 2 7 霍爾量測原理結構圖 20
圖 2 8 典型的Van der pauw 量測樣品示意圖 20
圖 3 1 HEMT681結構圖 26
圖 3 2 HEMT682結構圖 26
圖 3 3 HEMT683結構圖 27
圖 3 4 HEMT684結構圖 27
圖 3 5 HEMT685結構圖 28
圖 3 6 HEMT686結構圖 29
圖 3 7 HEMT687結構圖 30
圖 3 8 HEMT688結構圖 30
圖 3 9 電子槍蒸鍍系統示意圖 31
圖 3 10 shadow mask圖示 31
圖 4 1 樣品681表面型態圖 40
圖 4 2 樣品682表面型態圖 40
圖 4 3 樣品683表面型態圖 41
圖 4 4 樣品684表面型態 41
圖 4 5 樣品685表面型態圖 42
圖 4 6 樣品686表面型態圖 42
圖 4 7 樣品687表面型態圖 43
圖 4 8 樣品688表面型態圖 43
圖 4 9 樣品683、687、688的n值隨溫度變化圖 44
圖 4 10 樣品687、688順向電流-電壓特性圖 44
圖 4 11 樣品683順向電流-電壓特性圖 45
圖 4 12 樣品683變溫順向電流-電壓特性圖 45
圖 4 13 樣品687變溫順向電流-電壓特性圖 46
圖 4 14 樣品688變溫順向電流-電壓特性圖 46
圖 4 15 樣品683的richardson plot 47
圖 4 16 樣品687的richardson plot 47
圖 4 17 樣品688的richardson plot 48
圖 4 18 樣品683、687、688室溫逆向電流-電壓特性圖 48
圖 4 19 681室溫I-V特性圖 49
圖 4 20 682室溫I-V特性圖 49
圖 4 21 684室溫I-V特性圖 50
圖 4 22 686室溫I-V特性圖 50
圖 4 23 多功能mask樣品量測示意圖 51
圖 4 24 樣品683、687、688室溫C-V特性圖 51
圖 4 25 樣品683隨溫度變化的Depth profile 52
圖 4 26 樣品687隨溫度變化的Depth profile 52
圖 4 27 樣品688隨溫度變化的Depth profile 53
圖 4 28 樣品683、687、688於室溫下的Depth profile 53
圖 4 29 樣品683、687、688在室溫下歸一化後的depth profile 54
圖 4 30 樣品683的導電率隨溫度變化圖 54
圖 4 31 樣品687的導電率隨溫度變化圖 55
圖 4 32 樣品688的導電率隨溫度變化圖 55

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