Tóm tắt 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:28

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: Tìm hiểu tổng quan về vật liệu GaN và linh kiện bán dẫn GaN HEMT; Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc linh kiện; Nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo màng vật liệu high-k cho cấu trúc MOS HEMT.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Trung PGS.TS. Nguyễn Hoàng Thoan Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách Khoa họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách Khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Đô Nguyễn-Trung, Thoan Nguyễn-Hoàng*, Trung Nguyễn- Ngọc, Vinh Lê-Văn (2017), Nghiên cứu vi cấu trúc và tính chất của vật liệu Al1-xGaxN vô định hình bằng phương pháp động lực học phân tử, Tuyển tập báo cáo hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 10 (SPMS2017-Huế), trang 400, ISBN 9778- 604-95-0325-2 2. Nguyễn Trung Đô, Nguyễn Hoàng Thoan*, Trần Minh Quang, Đào Anh Tuấn, Nguyễn Ngọc Trung (2019), “Xây dựng mô hình điện của transistor có độ linh động điện tử cao trên cơ sở chuyển tiếp dị thể AlGaN/GaN”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2019 (600 – 607). ISBN 978-604-98-7506-9 (10/2019) 3. Nguyễn Trung Đô, Nguyễn Hoàng Thoan*, Nguyễn Ngọc Trung, Vũ Ngọc Tước, Lê Thị Hồng Liên (2019), “Nghiên cứu tính chất tại phân biên cấu trúc ALD-HfO2/GaN bằng phương pháp điện dung, điện áp”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2019 (608 – 612). ISBN 978-604-98-7506-9 (10/2019). 4. Nguyen-Trung Do, Nguyen-Hoang Thoan, Tran Minh Quang, Dao Anh Tuan, Nguyen-Ngoc Trung* (2020), An analytical model for AlGaN/GaN MOS-HEMT for high power applications. In: Parinov I., Chang SH., Long B. (eds) Advanced Materials. Springer Proceedings in Materials, vol 6. Springer, Cham. (17 June 2020; Springer Cham, ISBN978-3-030-45119-6) https://doi.org/10.1007/978-3-030-45120-2_3 (Hội nghị quốc tế, trong Index Scopus) 5. Nguyen-Hoang Thoan, Nguyen-Trung Do, and Nguyen-Ngoc Trung* and Le Van Vinh (2020), The structural correlation and
mechanical properties in amorphous hafnium oxide under pressure, International Journal of Modern Physics B, pp 2040149-(1:8) 2020. https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S02179792204014 99. (ISI, Q4) 6. Thoan N.H., Do N.T., Duc T.T., Trung N.N. (2021) Deep Level Defects in GaN Grown at Low Temperature by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. In: Long B.T., Kim YH., Ishizaki K., Toan N.D., Parinov I.A., Vu N.P. (eds) Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2020). MMMS 2020. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-69610-8_34 (Hội nghị quốc tế, trong Index Scopus). 7. Nguyễn Trung Đô*, Nguyễn Ngọc Trung*, Lưu Thị Lan Anh, Nguyễn Hoàng Thoan, Lê Thị Hồng Liên (2021), Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình ăn mòn đến điện trở suất tiếp giáp Ohmic của linh kiện AlGaN/GaN HEMT, tạp chí Khoa học và Công Nghệ (JST: Engineering and Technology for Sustainable Development) Volume 31, Issue 2, April 2021, pp095-100. 8. Nguyễn Trung Đô, Nguyễn Hoàng Thoan*, Nguyễn Ngọc Trung (2023), “Nghiên cứu tính chất bẫy bề mặt tại phân biên cấu trúc ALD Al2O3/GaN bằng phương pháp điện dung-điện áp”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2023 (188 – 191). ISBN 978-604-471-702-9 (11/2023).
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 như sau: 2. Mục tiêu của luận án Luận án bao gồm những mục tiêu sau: 1
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 chế tạo thử nghiệm 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 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. 2
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 đã chế tạo thử nghiệm thành công linh kiện HEMT. Trong đó, 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. 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 3
điện cực Schottky, đo đạc một vài 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. Chương I. 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, do việc hạn chế phát triển năng lượng hóa thạch và nhu cầu năng lượng toàn tiêu thụ cầu đã dẫn đến sự phát triển bùng nổ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió. Các yêu cầu về mức công suất, khả năng kết nối và đặc tính của hệ thống năng lượng 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 vận vật (Internet of Thing – IoT) và công nghiệp 4.0. Do đó, các đặc tính của các bộ chuyển mạch bán dẫn như tần số chuyển mạch cao, hao tổn thấp, kích thước nhỏ gọn và mật độ năng lượng cao là các yêu cầu để thực hiện mục tiêu trên. Ngoài ra, các yêu cầu về tính chất điện của linh kiện như điện áp đánh thủng cao, mật độ công suất lớn, tổn hao thấp, môi trường hoạt động khắc nghiệt khiên cho linh kiện dựa trên vật liệu Si truyền thống không đáp ứng được yêu cầu sử dụng. 4
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 {Formatting Citation}. Hiện nay, 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 đạt đáp ứng được các yêu cầu sử dụng hiện đại. 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 [7]. Như có thể thấy trong hình 1.1, 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. 1.2. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng 1.2.1. Hệ số phẩm chất Baliga (Baliga’s Figure of merit - BFOM) 1.2.3. Hiệu suất chuyển đổi điện 1.2.3. Công nghệ chế tạo phiến bán dẫn GaN 1.3. Tổng quan về transistor dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử cao 1.3.1. Cấu trúc HEMT cơ bản Các linh kiện HEMTs dựa trên bán dẫn nhóm III-V truyền thống được quan tâm nghiên cứu nhằm ứng dụng cho lĩnh vực cao tần và công suất lớn. Điểm đặc là kênh dẫn 2DEG trong GaN HEMT hình thành do: (1) hiện tượng phân cực điện và phân cực tự phát và (2) sự thay đổi đột ngột giữa vùng cấm và vùng hóa trị trong chuyển tiếp dị thể. Mặt cắt ngang của một linh kiện điển hình AlxGa1- xN/GaN hình 1.4. 5
Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của AlxGa1-xN/GaN HEMT [16]. 1.3.2. Phân cực tự phát và phân cực áp điện 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]. Sự bất đối xứng đảo (inversion) kéo theo sự phân cực ion mạnh của các liên kết cộng hóa trị dẫn đến hiện tượng phân cực điện tự phát, sự phân cực này xảy ra khi không đặt điện trường ngoài. Khi một lớp rào thế AlGaN mỏng được lắng đọng trên lớp bán dẫn GaN thì cả hai lớp này chịu ứng suất 𝜎 có tác dụng kéo dãn ra hoặc nén lại do sự không tương thích của mạng tinh thể. Ứng suất 𝜎 này gây ra sự phân cực điện Piezo hay phân cực áp điện.Khi tăng nồng độ Al trong lớp AlGaN thì độ phân cực áp điện cũng tăng lên. Hình 1.6.(b) cho thấy sự hình thành vùng điện tích cảm ứng bề mặt do phân cực. Như vậy, bằng cách tăng hàm lượng Al trong lớp AlGaN, làm cho mật độ điện tích cảm ứng tăng lên (𝛿). Từ hình 1.6, ta có thể thấy, sự chênh lệch năng lượng vùng dẫn lớn 𝐸 𝐶 (band offset) làm cho dải năng lượng bị uống cong xuống tại phân biên phía GaN, từ đó tạo ra lớp 2DEG. 6
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 [20]. 1.3.3. Nguyên lý hoạt động của HEMT 1.3.4. Tiếp giáp Ohmic Tiếp giáp được coi là Ohmic khi không có hàng rào thế năng nào được hình thành ở giao diện giữa bán dẫn và kim loại. Tiếp giáp này có thể đạt được bằng cách sử dụng các kim loại có công thoát (𝜑 𝑚 ) nhỏ hơn công thoát (𝜒 𝑠𝑛 ) của chất bán dẫn loại n hoặc lớn hơn công thoát (𝜒 𝑠𝑝 ) đối với bán dẫn loại p. Việc chế tạo các tiếp xúc Ohmic điện trở thấp là một quy trình công nghệ rất phức tạp khi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề liên quan đến hiệu ứng bề mặt giữa kim loại và các lớp bán dẫn tiếp giáp. Các hiệu ứng này phụ thuộc vào độ dày/mỏng và thành phần của các lớp bán dẫn epitaxy nitride loại n cũng như phụ thuộc vào các điều kiện ủ nhiệt. Do sự phức tạp của các hiệu ứng này, việc ủ tại nhiệt độ cao từ 8000C đến 9000C vẫn là không đủ để khiến cho các lớp kim lại phản ứng hoàn toàn với lớp rào AlxGa1-xN nhằm tạo ra lớp khí điện tử 2 chiều (2DEG) trong linh kiện GaN HEMT. Quá trình chế tạo tiếp giáp Ohmic Tiếp giáp Ohmic được chế tạo bằng quá trình gồm các bước như sau: 1. Quang khắc 2. Loại bỏ cảm quang 3. Phủ kim loại 4. Liff-off loại bỏ kim loại 5. Tiếp xúc Ohmic kim loại - Điện cực nguồn và máng của linh kiện HEMT sau khi ủ nhiệt. 7
1.3.5. Tiếp giáp Schottky Tiếp giáp Schottky (chuyển tiếp Schottky) là phần bề mặt bán dẫn tiếp giáp với kim loại điện cực cổng, đây là thành phần rất quan trọng trong cấu trúc linh kiện GaN HEMT. Chiều cao rào thế  𝐵 là một thông số quan trọng của chuyển tiếp kim loại-bán dẫn Schottky, xác định độ rộng vùng nghèo trong lớp bán dẫn và dòng điện tử trên bề mặt tiếp giáp. Đánh giá đường cong 𝐼 − 𝑉 đo ở nhiệt độ không đổi cung cấp thông tin quan trọng về liên hệ Schottky. 1.3.6. Thiết kế linh kiện GaN HEMT 1.3.6.1. GaN HEMT 1.3.6.2. Linh kiện HEMT ở chế độ nghèo 1.3.6.3. Linh kiện GaN HEMT làm việc ở chế độ tăng cường 1.4. Ứng dụng của linh kiện GaN HEMT Kết luận chương 1 Transistor GaN có cấu trúc dị thể độc đáo cùng với một lớp khí điện tử hai chiều (2DEG), có độ linh động điện tử cao (High Electron Mobility Transistor – HEMT), được phát triển trên cơ sở vật liệu GaN. Linh kiện HEMT có thể đạt được các tiêu chí như điện trở thấp và tốc độ chuyển mạch cao, phù hợp với các ứng dụng điện áp từ thấp đến trung bình và ứng dụng công suất từ thấp đến trung bình. Do nhu cầu lớn về năng lượng tái tạo đi kèm với bộ chuyển đổi quang điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và các ứng dụng công nghiệp khác, thị trường dành cho các sản phẩm chuyển đổi năng lượng tiên tiến dựa trên các linh kiện công suất GaN được cho là sẽ phát triển mạnh mẽ trong một vài thập kỷ tiếp theo. 8
Trước các yêu cầu ngày càng cao trong việc sử dụng các linh kiện bán dẫn thế hệ mới, rất nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố trong tài liệu đã trình bày chi tiết trong chương này. Các khía cạnh thú vị của nội dung công bố như đề xuất giải pháp cho các vấn đề liên quan đến hiệu suất thấp, đặc biệt là do tổn hao chuyển mạch trong bộ chuyển đổi và các vấn đề liên quan đến bộ khuếch đại công suất, các ứng dụng dựa trên bộ biến tần, v.v ... Do đó, linh kiện GaN được xem như một ứng cử viên để các nhà sản xuất đưa ra giải pháp cho chúng, do đặc tính hoạt động độc đáo của nó. Hạn chế lớn nhất trong sử dụng linh kiện GaN HEMT hiện nay là, giá thành của linh kiện hiện có trên thị trường cao hơn đáng kể so với transistors công suất Si. Đây là lý do tại sao hầu hết các ngành công nghiệp vẫn chưa áp dụng công nghệ này. Tuy nhiên, trong tương lai gần với những tiến bộ trong công nghệ GaN và việc sản xuất hàng loạt của chúng, các thiết bị GaN dự kiến sẽ có mức giá tương đương với các thiết bị Si ngày nay [36]. Một số lợi ích chính của vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT cũng như nhưng điểm hạn chế cần cải thiện đã được báo cáo trong các tài liệu được xem xét và được đề cập dưới đây: 1. Các linh kiện GaN HEMT có hiệu suất chuyển đổi và mật độ năng lượng cao hơn, ngoài ra, chúng có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với đối thủ cạnh tranh của làm từ vật liệu Si và SiC. 2. Linh kiện GaN HEMT có tổn thất điện năng thấp hơn do tính linh động cao của các hạt dẫn trong lớp khí điện tử hai chiều (làm kênh dẫn), vì không cần thời gian để các điện tích hồi phục trong qua trình chuyển trạng thái. 3. Công nghệ GaN HEMT lý tưởng để ứng dụng cho các thiết bị làm việc trong các hệ thống điện tử công suất tần số cao (từ 200 kHz đến 1 MHz). 4. GaN HEMT có điện trở ở trạng thái BẬT nhỏ hơn bất kỳ linh kiện nào khác được làm từ Si hoặc SiC, do đó các thiết bị được sản xuất từ GaN, có điện dung ký sinh thấp hơn. 5. Linh kiện GaN HEMT có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn nhiều, tổn hao khi chuyển mạch thấp hơn. 6. Các linh kiện được sản xuất từ SiC có một diode nội tại, trong thời gian ở trạng thái tĩnh vẫn hoạt động, gây ra nguồn tổn thất bên trong, liên quan đến điện áp của nó. GaN HEMT có điện áp điều khiển cao hơn, điều này cũng có nghĩa là có tổn hao trong thời gian ở trạng thái 9
tĩnh, nhưng vì kích thước của nó nhỏ hơn nhiều, đảm bảo tổn hao thấp hơn SiC MOSFET [45], [46]. 7. Do cấu trúc của linh kiện HEMT là sự chồng chất của các lớp vật liệu khác nhau nên sự xuất hiện của các sai hỏng về cấu trúc tinh thể cũng như hằng số mạng là không thể tránh khỏi. Bên cạnh đó, các vấn đề liên quan đến hiệu ứng bề mặt giữa các lớp kim loại và bán dẫn cũng cần phải được nghiên cứu để các lớp kim loại phản ứng hoàn toàn với lớp AlxGa1-xN. Sự xuất hiện của dòng rò tại cực cửa của linh kiện cũng dẫn đến các tổn thất không đáng có cho linh kiện. Một phương pháp để khắc phục điều này là sử dụng cấu trúc MOS tại cực cửa để giảm thiểu dòng tổn hao. CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG VẬT LIỆU GaN VÀ LINH KIỆN HEMT 2.1. Mở đầu 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 thử nghiệm 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. 2.2. Mô phỏng động lực học phân tử - Molecular Dynamics 2.2.1. Hệ ba nguyên AlxGa1-xN 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 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 Hình 2.10 mô tả mô hình nghiên cứu và mô phỏng các đặc trưng vật liệu tạo nên các đa lớp tiếp xúc dị chất dạng AlxGa1- xN/GaN trong vùng họat động của linh kiện. 10
Hình 2.10. Cấu trúc các màng mỏng GaN HEMT được sử dụng cho quá trình mô phỏng. Trong quá trình mô phỏng, độ dày của lớp mũ (cap), lớp đệm (spacer), lớp rào (barrier), lớp kênh dẫn (channel) và thành phần hợp kim (x) được thay đổi để khảo sát tính chất của vật liệu và linh kiện. Hình 2.17. Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nhiệt độ. Hình 2.17 cho thấy, tại nhiệt độ phòng (T=300 K), mẫu M2 có độ dẫn điện tốt nhất trong khi các mẫu N lại có độ dẫn điện kém hơn. Điều này chứng tỏ sự cải thiện về phẩm chất của linh kiện khi sử dụng lớp mỏng GaN làm lớp mũ. Ngoài ra, nhìn chung thì các mẫu M3 và M4 dẫn điện đều kém hơn so với mẫu M1, M2. Điều này cũng cho thấy thành phần hợp kim Al25Ga75N là tốt hơn so với thành phần hợp kim Al33Ga67N. Đối với mẫu độ dẫn điện tối ưu, mẫu M2, lớp mũ phải mỏng khoảng 1 nm.Tuy nhiên, trong thực tế, chúng tôi chọn độ dày của lớp mũ là khoảng 2 nm do các giới hạn của công nghệ chế tạo không thể làm mỏng ở mức 1nm. Hơn nữa, đối với lớp rào, thành phần hợp kim tối ưu là Al25Ga75N. 11
2.4. Mô phỏng cấu trúc GaN HEMT bằng phần mềm Matlab 2.4.1. Xây dựng mô hình điện của linh kiện HEMT và MOS- HEMT trên cơ sở bán dẫn AlGaN/GaN 2.4.1.1. Mô hình cơ bản 2.4.1.2. Mô hình mở rộng Trong thực tế, giá trị cường độ dòng điện thực lại không phải hằng số. Lúc này, kênh dẫn 2DEG có thể chia làm 2 vùng: vùng trường yếu khi 0 ≤ 𝑥 ≤ 𝐿1 , và vùng trường mạnh 𝐿1 ≤ 𝑥 ≤ 𝐿. Tại 𝑥 = 𝐿1 , 𝑡(𝐿1 ) = 1, điện trường là vô hạn, vận tốc trôi dạt của điện tử là 𝑣 𝑠 . Dòng máng tổng cộng là 𝑉 𝐼 𝐷𝑆 = 𝐼 𝑐 + 𝑅 𝐷 (2.40) 𝑝 Trong chế độ này, đặc trưng vôn – ampe (𝐼 𝐷𝑆 – 𝑉 𝐷𝑆 ) được xác định dựa trên các điều kiện làm việc như khi lớp AlGaN nghèo hoàn toàn. 2.4.2. Mô phỏng linh kiện HEMT kênh ngắn Trong phần này, chúng tôi trình bày kết quả mô phỏng trong trường hợp linh kiên HEMT kênh ngắn với nồng độ mol của Al 𝑥 = 0.25, 𝑑 𝐴𝑙𝐺𝐴𝑁 = 20 nm ,𝑊𝑔 = 200 μm và 𝐿 𝑔 = 0.18 μm. Các kết quả mô phỏng được so sánh với số liệu thực nghiệm thu được từ nghiên cứu của Yoon và các đồng nghiệp [87]. Các đường cong đặc trưng 𝐼 𝐷𝑆 − 𝑉 𝐷𝑆 ứng với các giá trị 𝑉𝑔 = −1, −0.5 và 0 V đều cho các giá trị tương đối sát với phần số liệu thực nghiệm. Ngoài ra, 𝐼 𝐷𝑠𝑎𝑡 thu được từ số liệu mô phỏng tại giá trị 𝑉𝑔 = 0 𝑉 là 112 mA. Hình 2.20. Đặc trưng 𝐼 𝐷𝑆 − 𝑉 𝐷𝑆 của HEMT-Yoon: so sánh lý thuyết và thực nghiệm. 12
Kết luận chương 2 Kết quả thu được từ phương pháp mô phỏng Nguyên lý ban đầu cho thấy:  Cấu trúc HEMT có thể làm việc ở điều kiện nhiệt độ và mật độ hạt tải cao.  Với mẫu có độ dẫn điện tốt nhất thì chiều dày tối ưu cho lớp mũ GaN là 1 nm ( thực tế sử dụng lớp mũ có chiều dày 2 nm) và nồng độ Al là 𝑥 = 0.25 mol. Đã xây dựng thành công mô hình để mô hình hóa linh kiện HEMTcó độ tin cậy cao và có thể sử dụng để đưa ra các dự đoán cho các linh kiện cũng như cho các hệ vật liệu high-k sử dụng cho cấu trúc MOS sau này. Ngoài ra, chúng tôi cũng thực hiện một vài bước mô phỏng MD và thu được kết quả như sau:  Chiều dài liên kết Al-N và Ga-N trong các mẫu trong khoảng 1.82±0.05 A0 và 1.87±0.05 A0.  Số phối trí (với nguyên tử N) chiếm ưu thế của Al và Ga đều bằng 4.  Tỷ lệ thể tích lỗ hổng chiếm chỗ trong các mẫu nằm trong khoảng từ 21-26%.  Nghiên cứu đánh giá tác động của áp suất lên cấu trúc và tính chất cơ học của ô-xít HfO2.  Sự tương đồng về mặt cấu trúc cho thấy sự hình thành vật liệu vô định hình đa nguyên với phân bố đều đặn, không có tự tích tụ của các nhóm cấu trúc riêng. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO LINH KIỆN HEMT 3.1. Mở đầu 3.2. Mô tả chung về quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện GaN HEMT Hai phương pháp phổ biến để chế tạo phiến bán dẫn đa lớp dị thể là Epitaxy chùm phân tử (MBE) và Lắng đọng pha hơi hóa học từ hợp chất cơ kim (MOCVD). Cấu tạo của linh kiện GaN HEMT điển hình được thể hiện như trong hình 3.2. 13
Hình 3.2. Cấu trúc của một linh kiện GaN HEMT thông thường. Các bước công nghệ chính trong quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện HEMT được mô tả trong hình 3.3. Hình 3.3. Sơ đồ quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện HEMT. 3.3. Thiết kế bộ MASK chế tạo linh kiện HEMT Sau khi đã xây dựng phần mềm mô phỏng và thiết kế linh kiện như đã đề cập trong chương 2 luận án này, chúng tôi đã thực hiện thiết kế, chế tạo bộ MASK dùng cho quang khắc chế tạo linh kiện HEMT. 14
Hình 3.5. Ô MASK dùng cho quang khắc chế tạo HEMT. Để đảm bảo sự trùng khớp giữa các ô MASK cho các lần quang khắc khác nhau, cần phải thiết kế dấu so MASK. 3.4. Quy trình công nghệ chế tạo GaN HEMT 3.4.1. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn 3.4.2. Quang khắc 3.4.3. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Ohmic 3.4.3.1. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn mục tiêu lên điện trở tiếp xúc Hình 3.13. Độ sâu ăn mòn mục tiêu.Các nhóm (1),(2) và (3) có các độ sâu ăn mòn khác nhau. Các độ sâu ăn mòn khác nhau được thể hiện trong hình 3.19. Nhóm mẫu 1 như một xử lý bề mặt. Nhóm mẫu 2 được chuẩn bị để ăn mòn xuống vùng có thể đặt các miếng tiếp xúc Ohmic. Nhóm mẫu 3 được đặt mục tiêu là có thể sẽ đạt đến vị trí của bề mặt AlGaN/GaN. Sau quá trình ăn mòn, chúng tôi xác định được giá trị điện trở suất 𝜌 𝑐 = 1.08 × 10−7 cm2 của tiếp giáp M2/2 được ủ ở nhiệt tương đối thấp là 6500C. 15
Bảng 3.5. Mối liên hệ giữa độ sâu ăn mòn và điện trở tiếp xúc đặc trưng. Độ sâu ăn mòn Điện trở suất tiếp xúc Ohmic (10- Mẫu (nm) 7 x cm2) M1/1 1.8 124.0 M2/1 12.2 83.4 M2/2 18.35 1.08 M3/1 34.3 1790 Nhận thấy, giá trị  𝑐 giảm khi độ sâu ăn mòn tăng lên cho đến khi nó đạt được độ sâu của lớp AlGaN pha tạp. Mẫu M3/1 lại không có được điện trở tiếp xúc tốt do các lớp kim loại lúc này đã tiếp xúc trực tiếp với lớp. 3.4.4. Nghiên cứu chế tạo tiếp giáp Schottky 3.4.4.1. Phương pháp thực nghiệm 3.4.7.2. Kết quả và thảo luận Hình 3.22. Sơ đồ cấu trúc của diode Schottky. Lớp kim loại Ti/Al/Pd/Au đầu tiên được lắng đọng giống như tiếp xúc Ohmic và được ủ ở 6500C trong 1 phút. Miếng tiếp xúc Schottky có diện tích 50 × 100 μm2 gồm có Pd/Au (50nm/150nm) sau đó được đặt lên mà không ủ. 3.4.7.3. Kết quả và thảo luận Từ đồ thị, chúng tôi tìm thấy một thế mở ở khoảng 1.3 V khi sử dụng tiếp xúc Schottky Pd/Au. Dòng phân cực ngược thấp khoảng 1.5 µA đo được tại thế phân cực ngược là -5 V. 16