Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật "Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN và linh kiện GaN HEMT; Mô phỏng vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT; Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện HEMT; Nghiên cứu chế tạo cấu trúc MOS - HEMT sử dụng lớp điện môi high-k.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRUNG ĐÔ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRANSISTOR CÓ ĐỘ LINH ĐỘNG ĐIỆN TỬ CAO DỰA TRÊN GaN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội – 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRUNG ĐÔ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRANSISTOR CÓ ĐỘ LINH ĐỘNG ĐIỆN TỬ CAO DỰA TRÊN GaN Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Trung 2. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Thoan Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án “Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN” là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tất cả những sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho luận án đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Hà Nội , ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Trung Nguyễn Trung Đô Nguyễn Hoàng Thoan i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, cùng với những nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự động viên, giúp đỡ của rất nhiều người. Đầu tiên, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Nguyễn Ngọc Trung và cô PGS. TS. Nguyễn Hoàng Thoan đã tận tình chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu sinh của mình. Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo của khoa Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như các thầy cô của nhà trường, đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành luận án. Bên cạnh đó, sự giúp đỡ, động viên và khích lệ về mọi mặt của cha mẹ, anh chị em người thân trong gia đình cũng như bạn bè đã động viên, khích lệ em trong suốt quá trình theo học và thực hiện luận án. Người viết xin chân thành cảm ơn! Hà Nội , ngày tháng năm Nghiên cứu sinh ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii Danh mục hình vẽ .................................................................................................................. 1 Danh mục bảng ...................................................................................................................... 5 Danh mục ký tự viết tắt ......................................................................................................... 6 Đặt vấn đề .............................................................................................................................. 8 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 8 2. Mục tiêu của luận án ................................................................................................... 8 3. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 9 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................. 9 5. Các kết quả mới của luận án ....................................................................................... 9 6. Cấu trúc của luận án ................................................................................................. 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN GaN VÀ LINH KIỆN GaN HEMT ............ 12 1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng ......................................................... 12 1.2. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng ......................................... 14 1.2.1. Hệ số phẩm chất Baliga (Baliga’s Figure of merit - BFoM) ............................. 15 1.2.2. Hiệu suất chuyển đổi điện ................................................................................. 16 1.2.3. Công nghệ chế tạo phiến bán dẫn GaN ............................................................. 18 1.3. Tổng quan về transistor dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử cao .................... 19 1.3.1. Cấu trúc HEMT cơ bản...................................................................................... 19 1.3.2. Phân cực tự phát và phân cực áp điện ............................................................... 20 1.3.3. Nguyên lý hoạt động của HEMT ....................................................................... 23 1.3.4. Tiếp giáp Ohmic ................................................................................................ 27 1.3.5. Tiếp giáp Schottky ............................................................................................. 29 1.4. Ứng dụng của linh kiện GaN HEMT........................................................................ 33 iii
Kết luận chương I ............................................................................................................ 37 CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG VẬT LIỆU GaN VÀ LINH KIỆN HEMT ............................. 39 2.1. Mở đầu ...................................................................................................................... 39 2.2. Mô phỏng động lực học phân tử - Molecular Dynamics .......................................... 40 2.2.1. Hệ ba nguyên AlxGa1-xN ................................................................................... 40 2.2.2. Nghiên cứu mối tương quan cấu trúc và tính chất cơ học của HfO2 vô định hình dưới tác động của áp suất ............................................................................................ 47 2.3. Nghiên cứu các thuộc tính cấu trúc và điện tử của màng siêu mỏng nano GaN bằng phương pháp Nguyên lý ban đầu ..................................................................................... 52 2.4. Mô phỏng cấu trúc GaN HEMT bằng phần mềm Matlab ........................................ 58 2.4.1. Xây dựng mô hình điện của linh kiện HEMT và MOS-HEMT trên cơ sở bán dẫn AlxGa1-xN/GaN ..................................................................................................... 58 2.4.2. Mô phỏng linh kiện HEMT kênh ngắn .............................................................. 67 Kết luận chương II ........................................................................................................... 69 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN HEMT .................. 70 3.1. Mở đầu ...................................................................................................................... 70 3.2. Mô tả chung về quy trình công nghệ chế tạo linh kiện GaN HEMT ........................ 70 3.3. Thiết kế bộ MASK chế tạo linh kiện HEMT ........................................................... 74 3.4. Quy trình công nghệ chế tạo GaN HEMT ................................................................ 76 3.4.1. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn........................................................................... 76 3.4.2. Quang khắc ........................................................................................................ 77 3.4.3. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Ohmic ................................................................. 79 3.4.4. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Schottky .............................................................. 91 3.5. Khảo sát đặc trưng điện của linh kiện thực nghiệm ................................................. 93 3.6. Mô phỏng linh kiện HEMT đã chế tạo ..................................................................... 96 Kết luận chương III ......................................................................................................... 97 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-K............................................................................................................ 99 iv
4.1. Cấu trúc MOS HEMT .............................................................................................. 99 4.2. Chế tạo màng mỏng ô-xít Al2O3 trên đế bán dẫn Si bằng phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử ALD .............................................................................................................. 102 4.2.1. Công nghệ chế tạo ........................................................................................... 102 4.2.2. Kết quả đo C-V và tính toán mật độ sai hỏng tại phân biên ............................ 106 4.3. Khảo sát cấu trúc MOS Au/ALD-HfO2/GaN ......................................................... 107 4.3.1. Ảnh hưởng chất lượng đế lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN ............ 109 4.3.2. Ảnh hưởng chiều dày lớp ô-xít lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN ... 112 4.4. Nghiên cứu tính chất điện của linh kiện MOS HEMT ........................................... 114 Kết luận chương IV ....................................................................................................... 116 Kết luận chung ................................................................................................................... 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122 v
Danh mục hình vẽ Hình 1.1. So sánh một vài tính chất của Si, gallium nitride (GaN) và silicon carbide (SiC) cho các ứng dụng bán dẫn công suất [3]........................................................ 13 Hình 1.2. Hệ số phẩm chất của Si, SiC và GaN [9]. Đường BFoM thấp hơn ứng với vật liệu có tính chất tốt hơn. ..................................................................................... 15 Hình 1.3. Mối liên hệ giữa điện trở bật với điện áp đánh thủng cực đại của 3 loại vật liệu Si, Sic và GaN. ............................................................................................. 16 Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của AlxGa1-xN/GaN HEMT [16]. ..................................... 19 Hình 1.5. a) Cấu trúc tinh thể của mặt Ga(Al) cấu trúc wurzite của AlxGa1-xN. b) Sự phân cực sinh ra điện tích cảm ứng bề mặt và hướng của phân cực tự phát và phân cực áp điện trong mặt Ga của cấu trúc dị thể AlxGa1-xN /GaN biến dạng [16]. ..... 20 Hình 1.6. Biểu đồ vùng nơi giao nhau của AlxGa1-xN/GaN hoặc AlN chuyển tiếp dị thể. Sự chồng chất điện tử và tạo thành lớp khí điện tử 2 chiều 2DEG tại bề mặt [16]. .......................................................................................................................... 22 Hình 1.7. Mật độ điện mặt ns phụ thuộc vào chiều dày d của lớp rào thế AlxGa1-xN, ứng với một số giá trị khác nhau của nồng độ Al [16]. ........................................... 22 Hình 1.8. Đặc trưng IDS – VDS của một linh kiện GaN HEMT [20]. ....................... 24 Hình 1.9. Đặc trưng Gm – VGS của một linh kiện HEMT [21]................................. 25 Hình 1.10. Mô hình mạch điện nguyên lý cho (a) transistor GaN HEMT và (b) transistor Si MOSFET. ............................................................................................. 26 Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc của tiếp xúc Ohmic. ....................................................... 28 Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp kim loại-bán dẫn với chiều cao rào thế ΦB của bán dẫn dị thể AlxGa1-xN/GaN không pha tạp (a) và pha tạp (b)[30]. ............................................................................................................... 29 Hình 1.13. Đường đặc trưng I – V lý thuyết và thực tế của tiếp giáp Schottky. ..... 30 Hình 1.14. Mặt cắt ngang của cấu trúc cơ bản của GaN HEMT [34]. ................... 32 Hình 1.15. GaN HEMT kênh thường đóng làm việc ở chế độ nghèo sử dụng cấu trúc cascode [34]. ..................................................................................................... 32 Hình 1.16. Kỹ thuật điều chỉnh điện áp ngưỡng bằng xử lý cực cổng của GaN HEMT ở chế độ tăng cường: (a) GaN pha tạp loại p, (b) AlGaN pha tạp loại p, (c) Xử lý plasma, (d) Cực cổng âm, (e) Cực cổng âm tách biệt, (f)MOSFET hỗn hợp [34]. .......................................................................................................................... 33 Hình 1.17. Các ứng dụng của GaN và SiC theo công suất và tần số hoạt động [37]. .................................................................................................................................. 34 Hình 1.18. Công suất hoạt động phụ thuộc vào tần số của các công nghệ biến tần khác nhau trong các bộ chuyển đổi và bộ sạc của xe điện [42]. ............................. 35 Hình 2.1. Hàm phân bố xuyên tâm cặp của AlN, GaN và Al0.5Ga0.5N. ................... 43 Hình 2.2. Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể của hệ Al1-xGaxN. ............................... 44 Hình 2.3. Hàm phân bố góc liên kết N-Ga(Al)-N trong hệ Al1-xGaxN. ................... 44 Hình 2.4. Phân bố bán kính lỗ hổng trong các mẫu Al1-xGaxN VĐH ở 300K. ........ 46 1
Hình 2.5. Hình ảnh lỗ hổng phân bố trong các mẫu Al0.5Ga0.5N. ........................... 46 Hình 2.6. Hàm PBXT tổng (a) và các hàm PBXT cặp của HfO2 (b),(c),(d) tại các áp suất khác nhau. ......................................................................................................... 48 Hình 2.7. Tỉ phần cấu trúc của HfOx (a), Ohfy (b) và số phối trí trung bình (c). .... 50 Hình 2.8. PBGLK của O-Hf-O (a) và Hf-O-Hf tại các áp suất khác nhau. ............ 51 Hình 2.9. Đường cong ứng suất – biến dạng của HfO2 khi bị nén. Hình nhỏ biểu diễn ứng suất Young như là một hàm của mật độ HfO2. .......................................... 52 Hình 2.10. Cấu trúc các màng mỏng GaN HEMT được sử dụng cho quá trình mô phỏng. ....................................................................................................................... 53 Hình 2.11. Sơ đồ khối quá trình giải tự thích cặp phương trình Schrodinger và Possion...................................................................................................................... 54 Hình 2.12. Sơ đồ khối của quá trình mô phỏng GaN HEMT. ................................. 55 Hình 2.13. Cấu trúc của Al25Ga75N với 96 nguyên tử supercell.............................. 56 Hình 2.14. Cấu trúc của Al33Ga67N với 72 nguyên tử supercell.............................. 56 Hình 2.15. Sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải vào nhiệt độ. .................................... 57 Hình 2.16. Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào mật độ hạt tải. ................................ 57 Hình 2.17. Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nhiệt độ. .......................................... 57 Hình 2.18. Sơ đồ cấu tạo của linh kiện HEMT (a) và MOS-HEMT (b). ................. 58 Hình 2.19. Hàm C2(z) và Hàm C3(z). ....................................................................... 61 Hình 2.20. Đặc trưng IDS – VDs của HEMT-Yoon: so sánh lý thuyết và thực nghiệm. Đường nét liền là đặc trưng thu được từ mô phỏng trong nghiên cứu này. Các ký hiệu biểu diễn đường thực nghiệm[75]. ................................................................... 68 Hình 2.21. Đặc trưng mô phỏng IDsat – Vg của transistor HEMT – Yoon. .............. 69 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc đa lớp của phiến bán dẫn được sử dụng để nghiên cứu chế tạo linh kiện AlxGa1-xN /GaN HEMT. ....................................................................... 71 Hình 3.2. Cấu trúc của một linh kiện AlxGa1-xN/GaN HEMT. ................................ 72 Hình 3.3. Sơ đồ quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện HEMT. ........ 73 Hình 3.4. Mặt cắt ngang của linh kiện HEMT theo thiết kế. ................................... 74 Hình 3.5. Ô MASK dùng cho quang khắc chế tạo HEMT. ...................................... 75 Hình 3.6. Hình ảnh của 1 lớp (MASK) được thiết kế cho việc chế tạo linh kiện HEMT. ....................................................................................................................... 75 Hình 3.7. Ảnh chụp bằng hiển vi điện tử của một vài linh kiện HEMT sau khi chế tạo. ............................................................................................................................ 75 Hình 3.8. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn theo quy trình tiêu chuẩn. ...................... 76 Hình 3.9. Sơ đồ quá trình quang khắc sử dụng cảm quang dương (a) và cảm quang âm (b). ....................................................................................................................... 77 Hình 3.10. Quá trình chiếu sáng UV truyền hình ảnh từ ô MASK lên bề mặt lớp cảm quang................................................................................................................. 78 Hình 3.11. Bề mặt mẫu bao gồm lớp cảm quang dương sau khi chiếu UV, xử lý trong dung dịch thuốc hiện và sấy lần 2................................................................... 79 Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống ICP-RIE [79]. ............................................................... 79 2
Hình 3.13. Độ sâu ăn mòn mục tiêu.Các nhóm (1),(2) và (3) có các độ sâu ăn mòn khác nhau. ................................................................................................................. 80 Hình 3.14. Hình ảnh thiết kế (a) và sau khi chế tạo (b) của cấu trúc của mẫu thử sử dụng để đo điện trở tiếp giáp Ohmic bằng phương pháp LTLM. ............................ 82 Hình 3.15. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn lên đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic. . 85 Hình 3.16. Cấu trúc LTLM được sử dụng để xác định điện trở tiếp xúc................. 86 Hình 3.17. Sơ đồ đo đặc trưng I-V của tiếp giáp kim loại – bán dẫn bằng 2 mũi dò (probe). Li là khoảng cách giữa các điện cực kim loại. .............................................. 87 Hình 3.18. Kết quả LTLM của mẫu M2/2 sau khi ủ ở nhiệt độ 650ºC, trong môi trường Ni-tơ, thời gian 60 giây. ............................................................................... 87 Hình 3.19. Hệ thống ủ nhiệt nhanh và sơ đồ gia tăng nhiệt độ 2 bước. .................. 88 Hình 3.20. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn lên điện trở tiếp xúc đặc trưng. ........... 89 Hình 3.21. Mặt cắt của một linh kiện HEMT sau khi phủ kim loại và ủ. (a) mẫu 2/2, kim loại khuếch tán từ vị trí tiếp giáp đến lớp 2DEG với diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn. (b) mẫu 3/1 – chỉ có một cực kim loại tiếp giáp với lớp 2DEG. ......................................... 90 Hình 3.22. Sơ đồ cấu trúc của diode Schottky. ........................................................ 91 Hình 3.23. Đặc trưng I – V của diode Schottky AlGaN/GaN. ................................. 92 Hình 3.24. Đặc trưng I – V của diode Schottky AlGaN/GaN. ................................. 92 Hình 3.25. Đặc trưng I – V phân cực thuận của một diode Schottky AlxGa1-xN/GaN với một trục đơn vị log(I).......................................................................................... 93 Hình 3.26. Đặc trưng IDS – VDS của linh kiện HEMT thường có kênh dẫn dài 4µm, chiều dài cực cổng 2 µm. Điện thế cực cổng thay đổi từ -4 V đến 2 V, mỗi bước thay đổi 1 V. ...................................................................................................................... 94 Hình 3.27. Đặc trưng IDS – VDS của linh kiện HEMT α có kênh dẫn dài 4 µm. Điện thế cực cổng thay đổi từ -5 V đến 1 V (từ dưới lên trên), mỗi bước thay đổi 1 V. ... 94 Hình 3.28. Độ hỗ dẫn Gm và dóng máng IDS phụ thuộc vào hiệu điện thế cực cổng VG của linh kiện HEMT α (a), và của linh kiện HEMT thường (b) với VDS = 10 V. 95 Hình 3.29. Đặc trưng IDS – VDS của HEMT α: so sánh lý thuyết và thực nghiệm. Đường nét liền là đặc trưng thu được từ mô phỏng. Các ký hiệu rời rạc biểu diễn đường thực nghiệm. .................................................................................................. 97 Hình 4.1. (a) Sơ đồ mặt cắt ngang của một linh kiện MOS-HEMT điển hình và (b) tụ MOS. ................................................................................................................... 100 Hình 4.2. Đặc trưng C-V tần số cao của tụ MOS lý tưởng trên đế bán dẫn Si loại n, đo ở nhiệt độ phòng. ............................................................................................... 101 Hình 4.3. Đặc trưng C-V điển hình của tụ MOS trên cơ sở bán dẫn GaN loại n, ở 300 K....................................................................................................................... 101 Hình 4.4. Sơ đồ hệ thiết bị lắng đọng nguyên tử - ALD. ....................................... 103 Hình 4.5. Kết quả xác định độ dày màng Al2O3 bằng phương pháp ellipsometry. 105 Hình 4.6. Phổ huỳnh quang tia X, XPS của mẫu Al2O3 được chế tạo với 200 chu kỳ ALD. ........................................................................................................................ 105 3
Hình 4.7. Phóng to đỉnh phổ ứng với Al2P và O1s của phổ XPS của mẫu Al2O3 được chế tạo với 200 chu kỳ ALD. ......................................................................... 106 Hình 4.8. (a) Đường đặc trưng C-V của mẫu GaN/5-nm Al2O3/Au. Mũi tên chỉ hướng quét khi đo. (b) So sánh đặc trưng C-V chuẩn hóa về 1 (giá trị C/Cmax) của mẫu tương ứng ở 300 K và 200 K (môi trường đá khô CO2). ................................ 107 Hình 4.9. Sơ đồ cấu trúc tụ MOS HfO2/GaN chế tạo trên đế (111)Si. .................. 108 Hình 4.10.(a) Đường đặc trưng C-V của mẫu HG3 GaN/5-nm HfO2/In. Mũi tên chỉ hướng quét khi đo. (b) đồ thị 1/C2-1/Cox2 phụ thuộc thế cực cửa VG, sử dụng để tính thế dải phẳng (VFB) và nồng độ pha tạp đế bán dẫn. ...................................... 109 Hình 4.11. Đồ thị C-V của tụ MOS GaN/HfO2/In tại tần số 10 kHz đo được tại nhiệt độ 300 K và 200 K của ba mẫu HG1, HG2 và HG3 cho thấy dịch chuyển nhiệt độ Gray-Brown. Chiều mũi tên chỉ hướng quét. ......................................................... 111 Hình 4.12. Đặc trưng C-V nhiệt độ phòng và tần số 10 kHz của tụ MOS HfO2/GaN với chiều dày lớp ô-xít khác nhau từ 520 nm. ...................................................... 113 Hình 4.13. Đồ thị đường(1/CHF2 – 1/Cox2) – VG ở tần số 10 kHz của tụ MOS HfO2/GaN với chiều dày lớp ô-xít khác nhau từ 520 nm. .................................... 113 Hình 4.14. Thế dải phẳng VFB ước tính từ đặc trưng 10 kHz phụ thuộc vào chiều dày lớp ô-xít. Đường nét liền là hàm fit tuyến tính, sử dụng để tính điện tích cố định trong lớp ô-xít. ........................................................................................................ 114 Hình 4.15. Đặc trưng IDS – VDS của MOS-HEMT: so sánh lý thuyết và thực nghiệm. Đường nét liền là đặc trưng thu được từ mô phỏng trong nghiên cứu này. Các ký hiệu rời rạc biểu diễn đường thực nghiệm của Hasan và đồng nghiệp [104]. ................................................................................................................................ 115 Hình 4.16. Đặc trưng mô phỏng IDsat – VG của transistor MOS-HEMT [104]. ... 116 4
Danh mục bảng Bảng 1.1. Tính chất của một vài bán dẫn [5]. ......................................................... 14 Bảng 1.2. Bộ sạc, bộ chuyển đổi tần số và bộ điều hợp trong xe điện [42]. ........... 36 Bảng 2.1. Các thông số dùng tính thế năng tương tác sử dụng cho hệ AlGaN. ...... 41 Bảng 2.2. Tỷ phần các đơn vị cấu trúc, tỷ lệ thể tích lỗ hổng chiếm chỗ và số phối trí trung bình trong hệ vật liệu Al1-xGaxN................................................................. 45 Bảng 2.3. Thông số cấu trúc super cell.................................................................... 55 Bảng 2.4. Các lựa chọn giả thế. ............................................................................... 56 Bảng 3.1. Điều kiện ăn mòn được sử dụng trên phiến đệm để đạt được độ sâu ăn mòn mong muốn. Phiến 1 được dùng cho xử lý bề mặt trong khi phiến 2, 3 và 4 được dùng để ăn mòn đến một độ sâu mong muốn và thời gian ăn mòn là khá nhau. Sự thăng giáng bất thường của giá trị thế phân cực đo được trong suốt quá trình ăn mòn ICP đã được tối thiểu. ...................................................................................... 81 Bảng 3.2. Các thông số chính của quá trình ăn mòn ICP. ...................................... 82 Bảng 3.3. Các thông số của quá trình ăn mòn ICP tốt nhất. ................................... 83 Bảng 3.4. Độ sâu ăn mòn của cấu trúc LTLM trên HEMT AlxGa1-xN/GaN trước khi phủ kim loại. ............................................................................................................. 84 Bảng 3.5. Mối liên hệ giữa độ sâu ăn mòn và điện trở tiếp xúc đặc trưng. ............ 88 Bảng 3.6. Thông số của linh kiện. ............................................................................ 93 Bảng 3.7. Giá trị IDsat và Vpinch-off ứng với các giá trị khác nhau của VG . ............. 96 Bảng 4.1. Một vài thông số của bán dẫn và tính chất tại phân biên cấu trúc MOS HfO2/GaN rút ra từ đo đặc trưng C-V tại nhiệt phòng, tần số 10 kHz. ................. 110 Bảng 4.2. Giá trị VFB và ND thay đổi theo chiều dày lớp ô-xít. .............................. 112 5
Danh mục ký tự viết tắt Kí hiệu STT Tên tiếng việt Tên tiếng anh viết tắt 1 2DEG Lớp khí điện tử hai chiều Two – Dimension Electron Gas Kính hiển vi lực nguyên 2 AFM Atomic Force Microscope tử Lắng đọng từng lớp 3 ALD Atomic Layer Deposition nguyên tử 4 BfoM Hệ số phẩm chất Baliga Baliga’s Figure of Merit Lắng đọng từ pha hơi hóa 5 CVD Chemical Vapor Deposition học 6 ĐLHPT Động lực học phân tử Phương pháp sai phân hữu 7 FEM Finite Element Method hạn Hiển vi điện tử quét độ Field Emission Scanning 8 FESEM phân giải cao Electronic Microscope Transistor hiệu ứng 9 FET Field Effect Transistor trường Nuôi đơn tinh thể trong High Nitrogen Pressure Solution 10 HCPSG môi trường dung dịch Growth Nitơ áp suất cao Transistor có độ linh động 11 HEMT High Electron Mobility Transistor điện tử cao Heterojunction Field Effect 12 HFET FET dị thể Transistor 13 HVPE Epitaxy pha hơi lai Hydride Vapor Phase Epitaxy Inductively Coupled Plasma 14 ICP kết hợp cảm ứng từ Plasma Bóng bán dẫn lưỡng cực 15 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor cổng cách điện 6
16 IoT Internet vạn vật Internet of Things Phương pháp đường 17 LTLM Linear Transmission Line Method truyền tuyến tính 18 MBE Epitaxy chùm phân tử Molecular Beam Epitaxy Mạch tích hợp vi sóng Monolithic Microwave Integrated 19 MMICs nguyên khối Circuits 20 MOS Cấu trúc MOS Metal – Oxide – Semiconductor Metal – Oxide – Semiconductor 21 MOSCAP Tụ điện MOS Capacitor Transistor hiệu ứng Metal – Oxide – Semiconductor 22 MOSFET trường kim loại – ô xít – Field Effect Transistor bán dẫn Công nghệ lắng đọng hơi Metal Organic Chemical Vapor 23 MOVCD hóa học từ hợp chất cơ Deposition kim 24 MPPT Điểm công suất cực đại Maximum Power Point Tracking 25 NLLK Năng lượng liên kết 26 PBGLK Phân bố góc liên kết 27 PBXT Phân bố xuyên tâm Ăn mòn bằng chùm ion 28 RIE Reactive Ion Etching kích hoạt 29 SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electronic Microscope 30 VĐH Vô định hình 31 WBG Độ rộng vùng cấm rộng Wide Band – Gap 7
Đặt vấn đề 1. Lý do chọn đề tài Quy trình công nghệ sản xuất linh kiện vi điện tử (IC) dựa trên vật liệu bán dẫn Silic là một trong những thành tựu khoa học – công nghệ nổi bật nhất của thế kỷ 20 và là tiền đề cho sự phát triển khoa học công nghệ ngày nay. Tuy nhiên, các thông số của linh kiện trên cơ sở vật liệu Silic đã đạt tới giới hạn, không thể phát triển hơn, chính vì vậy mà các nhà khoa học trên toàn thế giới hiện đang không ngừng tìm kiếm và sáng tạo các vật liệu mới để thay thế Silic với các tính chất nổi trội hơn và có thể ứng dụng để sản xuất linh kiện trên dây chuyền công nghệ. Vật liệu bán dẫn trên cơ sở GaN và các thiết bị sử dụng linh kiện trên nền vật liệu GaN như transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên nền vật liệu GaN/AlxGa1-xN (High-Electron Mobility Transistors - HEMT) đang là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng bán dẫn năng lượng mới nổi và nhanh chóng thay thế công nghệ silicon hiện tại. Các tính chất nổi trội của linh kiện trên cơ sở vật liệu GaN/ AlxGa1-xN so với các linh kiện truyền thống sử dụng Silic và GaAs là: tần số làm việc rất cao, nhiệt độ làm việc cao, điện trường đánh thủng cao (2×106 V/cm) và vận tốc chuyển động của điện tử lên tới 107 cm/s. Do đó, linh kiện này hiện đã và đang được nghiên cứu và phát triển bởi các hãng sản xuất thiết bị điện tử hàng đầu thế giới. Mặc dù đã có sự phát triển tuyệt vời của công nghệ GaN HEMT trong thời gian gần đây, vẫn còn những vấn đề đang giới hạn các đặc tính của thiết bị bao gồm: sai lệch trong cấu trúc mạng tinh thể, thất thoát dòng cực cửa và điện trở tiếp xúc lớn và khiến cho tiềm năng đầy đủ của hệ vật liệu này chưa được phát triển hết. Với những phân tích trên, tác giả cùng tập thể hướng dẫn đi đến quyết định thực hiện luận án tiến sĩ với đề tài “Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên GaN”.Theo hướng nghiên cứu này, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn cũng như các kết quả mới đạt được của luận án được trình bày cụ thể trong các phần sau. 2. Mục tiêu của luận án Luận án bao gồm những mục tiêu sau: 8
i. Tìm hiểu tổng quan về vật liệu GaN và linh kiện bán dẫn GaN HEMT. ii. Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc linh kiện. iii. Phát triển quy trình công nghệ chế tạo điện cực cho linh kiện GaN HEMT. iv. Nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo màng vật liệu high-k cho cấu trúc MOS HEMT. 3. Phương pháp nghiên cứu Trong luận án này, chúng tôi đề xuất một hướng nghiên cứu tổng hợp, kết hợp nghiên cứu lý thuyết (dựa trên mô hình hóa và mô phỏng trên vật liệu và hoạt động của linh kiện) với nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện GaN HEMT và hướng tới giải quyết một số vấn đề thiết kế linh kiện trong các ứng dụng cụ thể cũng như làm chủ công nghệ chế tạo. Các vấn đề khoa học và công nghệ sẽ được triển khai theo phương pháp truyền thống và phổ biến là: mô phỏng, mô hình hóa vật liệu và linh kiện HEMT, thiết kế MASK, xây dựng quy trình chế tạo, sử dụng các kỹ thuật như quang khắc, ăn mòn, lắng đọng tạo màng mỏng để chế tạo linh kiện. Linh kiện sẽ được xử lý “ảo” trên “máy tính” trước khi tiến hành thực nghiệm trên thực tế. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thời kì 4.0, các mối quan tâm về môi trường sống cũng như chất lượng cuộc sống đang ngày càng được quan tâm nhiều hơn. Do đó, để đáp ứng các yêu cầu hiện đại của công nghệ điện tử ngày nay như mức công suất cao, khả năng kết nối tốt mà kích thước lại nhỏ gọn, các nhà khoa học đã và đang tập trung vào việc nghiên cứu một thế hệ linh kiện mới có thể đáp ứng được các nhu cầu trên để thay thế cho linh kiện Si truyền thống đã không còn phù hợp. Một trong cá hướng nghiên cứu mới mà các nhà khoa học đã đề xuất là sử dụng vật liệu bán dẫn vùng cầm rộng như GaN để sản xuất chế tạo các linh kiện chuyển mạch. Các linh kiện dựa trên vật liệu mới này cùng với các thiết 9
kế phù hợp có thể mang lại lợi ích trong cả việc tăng hiệu suất cũng như cung cấp các khả năng mới cho các hệ thống điện tử công suất hiện có. 5. Các kết quả mới của luận án Bằng các phương pháp mô phỏng khác nhau, tác giả đã mô phỏng và mô hình hóa cũng như tối ưu hóa linh kiện HEMT. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp khi so sánh với các kết quả thu được từ thực nghiệm. Điều này chứng minh tính đúng đắn của mô hình, do đó, mô hình đã xây dựng hoàn toàn có thể sử dụng để mô phỏng nhằm đưa ra các dự đoán có tính chính xác cũng như độ tin cậy cao cho quá trình chế tạo các thiết bị thực nghiệm sau này.  Luận án cũng nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo linh kiện HEMT với một vài thông số như điện trở tiếp xúc 𝑅 𝑡𝑥 = 8.34 × 10−7 Ωcm2 , dòng máng bão hòa 𝐼 𝐷𝑆 = 80 mA tại 𝑉𝑔 = 2 V và 𝑉 𝐷𝑆 = 4.5 V . Đặc biệt, tiếp xúc Ohmic được chế tạo có điện trở suất tiếp xúc là 𝜌 = 1.08 × 10−7 Ωcm2 với nhiệt độ ủ là 650ºC trong khi các nghiên cứu khác phải sử dụng nhiệt độ ủ lên đến hơn 800ºC hay thậm chí là 900ºC để đạt được giá trị điện trở suất tương tự. 6. Cấu trúc của luận án Nội dung của luận án được chia thành 3 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN và linh kiện GaN HEMT Trong chương này, tác giả đưa ra các giới thiệu tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng GaN cũng như linh kiện GaN HEMT. Các công bố cập nhật về linh kiện HEMT cũng được tác giả tổng quan trong chương này. Chương 2: Mô phỏng vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT Trong chương này, tác giả trình bày các phương pháp mô phỏng, mô hình hóa và quy trình mô phỏng cũng như các kết quả thu được. Các phương pháp bao gồm: mô phỏng MD – Molecular Dynamics , mô phỏng Nguyên lý ban đầu – Ab initio và mô hình hóa linh kiện HEMT bằng phần mềm Matlab. 10
Chương 3: Nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiện HEMT Trong chương này, tác giả đưa ra các kết quả thu được sau khi tiến hành các bước trong quá trình chế tạo thử nghiệm: thiết kế MASK, chế tạo điện cực tiếp xúc Ohmic, chế tạo điện cực tiếp xúc Schottky, đo đạc một số đặc trưng điện của linh kiện chế tạo được như đặc trưng điện áp (I – V). Chương 4: Nghiên cứu chế tạo cấu trúc MOS - HEMT sử dụng lớp điện môi high-k Trong chương này, tác giả cũng tiến hành chế tạo thử nghiệm cấu trúc MOS ứng dụng cho linh kiện MOS – HEMT và đo đạc các đặc trưng như đặc trưng điện dung – điện áp (C – V) cũng như nghiên cứu các ảnh hưởng của chiều dày đế, chất lượng đế lên đặc trưng C – V của tụ MOS. Bên cạnh đó, tác giả cũng tiến hành phát triển mô hình mô phỏng đã xây dựng tại chương 2 cho linh kiện HEMT nhằm mô phỏng và mô hình hóa linh kiện MOS – HEMT. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN GaN VÀ LINH KIỆN GaN HEMT 1.1. Tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng Trong những năm gần đây, việc hạn chế phát triển năng lượng điện dựa trên nguyên liệu hóa thạch và sự tăng trưởng nhanh chóng tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã dẫn đến sự phát triển bùng nổ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, kết hợp với các hệ thống chuyển đổi và lưu trữ năng lượng như ắc quy, pin nhiên liệu và các phương tiện sử dụng năng lượng điện như ô tô, xe máy, xe đạp điện. Việc thay thế năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng tái tạo với giá cả phải chăng, đồng thời tăng hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng và phát điện bằng các thiết bị và kỹ thuật điều khiển mạch điện tốt hơn đã trở thành một trong các vấn đề được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới [1]. Ngoài ra, các yêu cầu như tần số chuyển mạch cao, tổn hao chuyển mạch thấp, mật độ năng lượng cao cũng như kích thước nhỏ gọn cũng được kỳ vọng là sẽ tiếp tục phát triển nhằm hỗ trợ cho sự phát triển của các công nghệ hiện đại như Internet vạn vật (Internet of Thing – IoT) và công nghiệp 4.0. Hiện nay, các transistor công suất đang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều hệ thống chuyển đổi và lưu trữ điện năng. Do đó, việc tăng hiệu suất chuyển đổi trong các linh kiện bán dẫn công suất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt hơn trong một hệ thống hoặc thiết bị ứng dụng. Nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng có nghĩa là cải thiện tỷ lệ sử dụng năng lượng tổng thể. Điều này đặt ra một thách thức ngày càng lớn trong việc đưa ra các giao thức thiết kế mới, đóng gói mới và thậm chí cả vật liệu bán dẫn mới. Vật liệu thường được sử dụng để chế tạo transistor hiện nay là Si, nhưng công nghệ silicon đã đạt đến mức cơ bản giới hạn vật lý của nó nên khó lòng đáp ứng các yêu cầu như điện áp đánh thủng cao, mật độ công suất lớn, tổn hao thấp, môi trường hoạt động khắc nghiệt của hệ thống điện bao gồm bức xạ, tiếp xúc với nhiệt độ cao và chu trình nhiệt phạm vi rộng. Như vậy, việc nỗ lực nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm đã tập trung vào việc tìm ra các giải pháp thay thế để 12
tăng hiệu suất của các linh kiện thành phần công suất cao, thông qua việc sử dụng các vật liệu bán dẫn thế hệ mới là hết sức cấp thiết [2]. Hình 1.1. So sánh một vài tính chất của Si, gallium nitride (GaN) và silicon carbide (SiC) cho các ứng dụng bán dẫn công suất [3]. Trong những năm gần đây, các linh kiện chuyển mạch được chế tạo dựa trên vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng (WBG) như GaN và SiC đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để khai thác được đầy đủ tiềm năng của chúng. Các linh kiện này, với thiết kế phù hợp, không chỉ mang lại lợi ích cho các hệ thống chuyển đổi điện năng hiện có mà còn cung cấp các khả năng mới trong việc cải thiện một số hệ thống điện tử công suất hiện có [3]. Như có thể thấy trong hình 1.1, SiC có tính dẫn nhiệt vượt trội, trong khi GaN có độ rộng vùng cấm và độ linh động điện tử cao nhất. Các linh kiện làm từ vật liệu SiC vượt trội hơn nhiều so với các linh kiện tương ứng từ vật liệu Si trong các ứng dụng công suất cao (hơn 600 V) và hiện được coi là phù hợp nhất để chuyển đổi công suất ở mức điện áp nói trên. Tuy nhiên, chế tạo vật liệu chất lượng cao SiC là khá hạn chế do giá thành cao. Do đó, các linh kiện dựa trên vật liệu GaN được coi là các lựa chọn thay thế tiềm năng cho các thiết bị sử dụng trong các ứng dụng tại điện áp mức thấp đến trung bình. Tuy nhiên, điện áp ngưỡng rất thấp (Vth) của các linh kiện GaN HEMT thông thường là một vấn đề kỹ thuật cần được cải thiện trong các ứng dụng thực tế [4]. Bảng 1.1 chỉ ra những ưu điểm đáng kể của GaN cũng như SiC so với Si truyền thống trong các ứng dụng bán dẫn công suất. 13