臺灣博碩士論文加值系統

砷化鎵及氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體非常適合運用在高功率、高頻段的狀況下；而此種微波元件，其金屬/半導體接面更須要良好的特性。對於砷化鎵 MOSFET 元件而言，缺乏可靠的閘極氧化層一直是主要的致命傷。本論文中利用稀土金屬氧化物-氧化鐠(Pr2O3) 及氧化釓(Gd2O3)，作為空乏型砷化鎵元件之閘極介電層，並分析其電性及在變溫狀態下之特性。
在改善氮化鋁鎵/氮化鎵蕭基接面部份，我們利用 (NH4)2Sx+UV及 P2S5/(NH4)2Sx+UV 照光的方法來處理表面，並且與傳統未硫化方式做比較。經由表面硫化處理及搭配高介電係數氧化層之AlGaN/GaN MOSFET，透過直流、高頻、pulsed IV 量測比較了解兩者缺陷的多寡及硫化對元件的影響。

High electron mobility transistors (HEMTs) based on GaAs and AlGaN/GaN heterostructure have great promise in high-power and high-frequency applications. Reliable ohmic and Schottky contacts are required for GaAs and AlGaN/GaN HEMTs to become avialable technology.The absence of reliable gate insulation layer is a death wound for GaAs MOSFET.Epitaxical rare earth oxide growth of Pr2O3 and Gd2O3 on Depletion Mode GaAs pHEMT for MOSFET. Finally, we analyzed the characteristics of its transistor current and DC for various temperature at 100 K to 400 K.
Passivations of the modulation-doped AlGaN/GaN Schottky surfaces, by means of (NH4)2Sx+UV and P2S5/(NH4)2Sx+UV treatments, have been carefully studied.By sulfurizaton treatment and inserting a high-k oxidation layer to AlGaN/GaN for MOSFET after the analysis curing transistor current, high power and by the way of the pulsed IV comparison to how much the surface defect and these gauging analysis curing to part influence.

目錄
指導教授推薦書 i
口試委員會審定書 ii
授權書 iii
誌謝 iv
摘要 v
英文摘要 vi
目錄 vii
第一章 導論 - 1 -
§1-1 簡介 - 1 -
§1-2 論文架構 - 10 -
第二章 高介電係數材料量測分析 - 11 -
§2-1 高介電係數材料簡介 - 11 -
§2-2 能量散射光譜儀分析(EDX) - 13 -
§2-3 ESCA(XPS)成份及鍵結型態分析 - 14 -
§2-4 X光單晶繞射分析(XRD) - 17 -
§2-5 C-V量測 - 20 -
§2-6 結語 - 22 -
第三章 高介電係數GaAs MOSFET製作與分析 - 24 -
§3-1 簡介 - 24 -
§3-2 元件製作流程 - 26 -
§3-3 不同高介電係數層之MOSFET直流量測結果 - 34 -
§3-3.1 傳統空乏型pHEMT直流量測結果 - 34 -
§3-3.2 空乏型之 Pr2O3-gate MOSFET 直流量測結果 - 36 -
§3-3.3 空乏型之 Gd2O3-gate MOSFET 直流量測結果 - 38 -
§3-3.4 不同閘極絕緣層之空乏型 MOSFET 直流量測總結 - 40 -
§3-4 不同高介電係數層之MOSFET高頻量測分析 - 43 -
§3-5 不同高介電係數層之MOSFET高頻功率數據 - 44 -
§3-6 不同高介電係數層MOSFET變溫直流量測探討 - 51 -
§3-7 總結 - 54 -
第四章 氮化鎵硫化物理分析及高介電係數MOSFET元件製程分析 - 56 -
§4-1 表面鈍化方式 - 56 -
§4-2 硫化霍爾量測 - 57 -
§4-3 原子力顯微鏡分析(AFM) - 58 -
§4-4 氮化鋁鎵/氮化鎵 高電子遷移率場效應電晶體硫化方式 - 61 -
§4-5 氮化鋁鎵/氮化鎵 高電子遷移率場效電晶體硫化製程 - 62 -
§4-6 硫化高介電係數層之氮化鋁鎵/氮化鎵MOSFET直流分析 - 73 -
§4-6.1 傳統氮化鋁鎵/氮化鎵直流量測結果 - 74 -
§4-6.2 氮化鋁鎵/氮化鎵之 Pr2O3 MOSFET 直流量測結果 - 76 -
§4-6.3 表面硫化銨處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET直流量測結果 - 78 -
§4-6.4 表面硫化銨加五硫化二磷處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 直流量測結果 - 80 -
§4-6.5 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 直流量測總結 - 82 -
§4-7 硫化高介電係數層之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 高頻分析 - 85 -
§4-8 硫化高介電係數層之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET Pulsed IV 量測結果 - 88 -
§4-9 總結 - 89 -
第五章 結論 - 91 -
參考文獻 - 93 -




圖目錄
圖1-1 平衡狀態 N-AlGaAs/GaAs 異質接面能帶圖 - 3 -
圖1-2 平衡狀態 AlGaAs/InGaAs/AlGaAs 雙異質接面能帶圖 - 5 -
圖1-3 不同材料的能帶與晶格常數之關係圖 - 6 -
圖1-4 單異質 AlGaN/GaN 高電子遷移率場效電晶體磊晶層與能帶圖 .......- 8 -
圖1-5 雙異質 AlGaN/GaN 高電子遷移率場效電晶體磊晶層與能帶圖 .......- 8 -
圖2-1 Pr2O3 和 Gd2O3 在不同通氧量下之 EDX 量測結果 - 13 -
圖2-2氧化鐠及氧化釓中之鐠元素及釓元素之 XPS 能譜圖(a) 3d (b) 4d - 15 -

圖2-3 氧化鐠中鐠元素 Pr 3d 在不同溫度下熱退火之 XPS 能譜 圖 .- 17 -
圖2-4 Pr2O3 介電薄膜在不同退火溫度之 XRD 量測 - 19 -
圖2-5 Gd2O3 介電薄膜在不同退火溫度之 XRD 量測 - 19 -
圖2-6 Pr2O3 在不同退火溫度下之 C-V 量測 - 21 -
圖2-7 Gd2O3 在不同退火溫度下之 C-V 量測 - 21 -
圖3-1 不同閘極絕緣層之 1 μm-long gate AlGaAs/InGaAs D-mode pHEMTs 元件剖面圖 - 25 -
圖3-2 歐姆接觸製程示意圖 - 26 -
圖3-3 元件隔離蝕刻製程步驟 - 28 -
圖3-4 元件金屬連接線與閘極掘入以及蕭特基接觸製程步驟 - 30 -
圖3-5 元件保護層製程步驟 - 32 -
圖3-6 GaAs元件SEM正視圖 - 33 -
圖3-7 GaAs元件SEM側視圖 - 33 -
圖3-8 傳統空乏型 pHEMT (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 - 35 -
圖3-9傳統空乏型 pHEMT 蕭特基二極體特性 - 36 -
圖3-10 空乏型 Pr2O3 MOSFET (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 ..- 37 -
圖3-11 空乏型 Pr2O3 MOSFET 蕭特基二極體特性 - 38 -
圖3-12 空乏型 Gd2O3 MOSFET (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 .- 39 -
圖3-13 空乏型 Gd2O3 MOSFET 蕭特基二極體特性 ...- 40 -
圖3-14 不同閘極絕緣層之 MOSFET 元件電流-電壓特性曲線 - 41 -
圖3-15 不同閘極絕緣層之 MOSFET 元件汲極電流與元件轉導特性曲線 - 42 -
圖3-16 不同閘極絕緣層之 MOSFET 之蕭特基二極體特性 - 42 -
圖3-17 傳統空乏型 pHEMT 功率曲線圖 - 46 -
圖3-18 空乏型 Pr2O3 MOSFET功率曲線圖 - 47 -
圖3-19 空乏型 Gd2O3 MOSFET功率曲線圖 - 48 -
圖3-20不同閘極絕緣層之 MOSFET 功率線性增益(Power Gain) - 49 -
圖3-21不同閘極絕緣層之 MOSFET 功率附加效率(PAE) - 49 -
圖3-22不同閘極絕緣層之 MOSFET 輸出功率(Output Power) - 50 -
圖3-23不同閘極絕緣層 MOSFET 之 Flicker Noise - 51 -
圖3-24 不同溫度 100 K 至 400 K 下 Pr2O3 及 Gd2O3 MOSFET 之最大汲極電流及臨限電壓比較圖 - 52 -
圖3-25 不同溫度 100 K 至 400 K 下 Pr2O3 及 Gd2O3 MOSFET 之三階非線性項 Ids-Vgs 轉換曲線比較圖 - 53 -
圖 4-1為不同硫化處理之 1 μm-long gate AlGaN/GaN Pr2O3 MOSFET 元件剖面圖 - 56 -
圖4-2 (a) Standard-treated 2D (b) Standard-treated 3D - 60 -
圖4-3 (a) (NH4)2Sx+UV-treated 2D (b) (NH4)2Sx+UV-treated 3D - 60 -
圖4-4 (a) P2S5/(NH4)2Sx+UV-treated 2D (b) P2S5/(NH4)2Sx+UV-treat ed 3D - 61 -

圖4-5 氮化鋁鎵/氮化鎵高電子遷移率場效電晶體磊晶結構 - 63 -
圖4-6 元件隔離蝕刻製程步驟 - 64 -
圖4-7 歐姆接觸製程步驟 - 68 -
圖4-8 硫化蕭特基閘極製程步驟 - 69 -
圖4-9元件保護層與量測電極製程步驟 - 71 -
圖4-10 AlGaN/GaN元件SEM正視圖 - 73 -
圖4-11 傳統氮化鋁鎵/氮化鎵 HEMT (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特 性 - 75 -
圖4-12 傳統氮化鋁鎵/氮化鎵 HEMT 蕭特基二極體特性 - 75 -
圖4-13 氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 - 77 -
圖4-14 氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 蕭特基二極體特性 - 77 -
圖4-15 表面硫化銨處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 - 79 -
圖4-16 表面硫化銨處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 蕭特基二極體特性 - 79 -
圖4-17 表面硫化銨加五硫化二磷處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET (a) Ids-Vds (b) Ids-Vgs-gm 特性 - 81 -
圖4-18 表面硫化銨加五硫化二磷處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 蕭特基二極體特性 - 82 -
圖4-19 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 元件電流-電壓特性曲線 - 83 -
圖4-20 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 元件汲極電流與元件轉導特性曲線 - 83 -
圖4-21 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 元件蕭基二極體特性 - 84 -
圖4-22 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 元件之 Flicker Noise - 87 -
圖 4-23 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 脈衝量測 - 88 -













表目錄
表1-1 傳統半導體材料之特性比較圖 - 7 -
表2-1 目前常見的幾種高介電常數材料及其基本材料特性 - 13 -
表2-2 Pr2O3 及 Gd2O3 在不同退火溫度下之介電常數 - 22 -
表3-1 空乏型電晶體霍爾量測圖表 - 34 -
表3-2 不同閘極絕緣層之 MOSFET 直流與高頻特性整理 - 43 -
表4-1 未做任何處理與經過硫化處理之霍爾量測 - 58 -
表4-2 不同顯微鏡技術之比較 - 58 -
表4-3 不同硫化之表面粗糙度比較 - 59 -
表4-4 不同表面處理之氮化鋁鎵/氮化鎵 Pr2O3 MOSFET 直流與高頻特性整理 - 85 -

[1] 陳重文， “不同上下掺雜比之雙異質接面高電子移導率電晶體研究與微波開關之應用” ，碩士論文，長庚大學電子研究所，桃園，第 1-6 頁，2007。
[2] R. Dingle, H. L. Stormer, A.C. Gossard and W. Wiexmann, Appl. Phys., Vol. 33, p665-667, 1978.
[3] Frank Schwierz, and Juin J. Liou, Modern Microwave Transistors, Wiley-Interscience, New Jersey, 2003.
[4] T.Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii and K. Nanbu, “ A new Field-Effect Transistor with Selectively Doped GaAs/n-AlGaAs Heterojunctions,” Jan. J. Appl. Phys., Vol. 19, L225-L227, 1980.
[5] K. Hirakawa, H. Sasaki, and J. Yoshion, Appl. Phys. Lett., Vol. 45, p.253, 1984
[6] J. W. Matthews and A.E. Blakesless, J. Chystal Growth, Vol. 27, p.118,1974.
[7] S.M. Sze, “High-speed semiconductor devices” , John Wiley , 1990.
[8] T. P. Chow, and R. Tyagi, “Wide Bandgap Compound Semiconductors for Superior High-Voltage Unipolar Power Device,” IEEE Trans. Electron. Dev., Vol.41, pp.1481-1485, 1994.
[9] U. K. Mishra, Y.-F. Wu, B. P. Keller, S. Keller, and S. P. Denbaars, “GaN Microwave Electronics,” IEEE Trans. Microwave Theory Techn., Vol.46, pp.756-761, 1998.
[10] A. T. Ping, Q. Chen, J. W. Yang, M. A. Khan, and I. Adesida, “DC and Microwave Performance of High Current AlGaN/GaN Heterostructure Field Effect Transistors Grown on p-Type SiC Substrates,” IEEE Electron Device Lett., Vol.19, pp.54-56, 1998.
[11] N. X. Nguyen, M. Micovic, W.-S. Wong, P. Hashimioto, P. Janke, D. Harvey, and C. Nguyen, “Robust Low Microwave Noise GaN MODFETs with 0.06dB Noise Figure at 10 GHz,” Electron. Lett., Vol.36, pp.469-471, 2000.
[12] M. Green, K. K. Chu, E. M. Chumbes, J. A. Smart, J. R. Shealy, and L. F. Eastman, “The Effect of Surface Passivation on the Microwave Characteristics of Undoped AlGaN/GaN HEMT’s,” IEEE Electron Device Lett., Vol.21, pp.268-270, 2000.
[13] 張家華， “異質結構 AlGaN/GaN 金屬接面特性之研究” ，碩士論文，國防大學中正理工學院電子研究所，桃園，第 1-4 頁，2004。
[14] Y. C. Yeo, T. J. King and Chenming Hu:Trans. Electron Devices 50 (2003) 1027.
[15] G.. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony: J.Appl. Phys. 89 (2001) 5243.
[16] 吳偉豪， “高介電常數材料於 MOSFET 閘極介電層之應用” 電子材料月刊，第 11 卷第 4 期，第 143-151 頁，2005。
[17] 黃元昌， “空乏型/增加型異質結構高電子遷移率場效電晶體製作與硫化披覆特性分析與應用” ，碩士論文，長庚大學電子研究所，桃園，第 40 頁，2007。
[18] Y. Nannichi, J. Fan, H. Oigawa, and A.Koma: J.Appl. Phys. 27 (1988) 2367.
[19] Y. Nannichi and H. Oigawa, Extended Abstracts, 22nd Conf. Solid State Devices & Materials, Sendai 1990, 453 (Business Center for Academic Societies, Tokyo).
[20] P. E. Riley, S. S. Peng, L. Fang, “Plasma etching of Aluminum for ULSI circuits”, Solid State Tech., pp.47, 1993.
[21] S. K. Ghandhi, “VLSI Fabrication Principles”, pp.635, 1994.
[22] 林柏辰，“氮化鎵/氮化鋁鎵高電子移導率場效電晶體之製作與應用”，碩士論文，中央大學電機研究所，桃園，第 34-45 頁，2005。