Nghiên cứu mô phỏng và công nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao

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 2024 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 hai thầy cô hướng dẫn cũng như tập thể các thầy cô giáo của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ trong suốt thời gian em thực hiện 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 2024 Nghiên cứu sinh Nguyễn Trung Đô ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii Danh mục hình vẽ. 1 Danh mục bảng.

5 Danh mục ký tự viết tắt. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu của luận án. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Các kết quả mới của luận án. Cấu trúc của luận án. TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN GaN VÀ LINH KIỆN GaN HEMT.

Tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng. Hệ số phẩm chất Baliga (Baliga’s Figure of merit - BFoM). Hiệu suất chuyển đổi điện.

Công nghệ chế tạo phiến bán dẫn GaN. Tổng quan về transistor dựa trên bán dẫn có độ linh động điện tử cao. Cấu trúc HEMT cơ bản. Phân cực tự phát và phân cực áp điện.

Nguyên lý hoạt động của HEMT. Các thiết kế cho linh kiện GaN HEMT. Ứng dụng của linh kiện GaN HEMT. 32 iii Kết luận chương I.

MÔ PHỎNG VẬT LIỆU GaN VÀ LINH KIỆN HEMT. Mô phỏng động lực học phân tử - Molecular Dynamics. Hệ ba nguyên AlxGa1-xN. Nghiên cứu mối tương quan cấu trúc và tính chất cơ học của HfO2 vô định hình dưới tác động của áp suất.

Nghiên cứu các thuộc tính cấu trúc và điện tử của màng siêu mỏng nano GaN bằng phương pháp Nguyên lý ban đầu. Mô phỏng cấu trúc GaN HEMT bằng phần mềm Matlab. Xây dựng mô hình điện của linh kiện HEMT và MOS-HEMT trên cơ sở bán dẫn AlxGa1-xN/GaN. Mô phỏng linh kiện HEMT kênh ngắn.

64 Kết luận chương II. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM LINH KIỆN HEMT. Mô tả chung về quy trình công nghệ chế tạo linh kiện GaN HEMT. Thiết kế bộ MASK chế tạo linh kiện HEMT.

Quy trình công nghệ chế tạo GaN HEMT. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn. Nghiên cứu chế tạo tiếp xúc Ohmic. Nghiên cứu chế tạo tiếp xúc Schottky.

Khảo sát đặc trưng điện của linh kiện thực nghiệm. Mô phỏng linh kiện HEMT đã chế tạo. 93 Kết luận chương III. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-K.

Cấu trúc MOS HEMT. Chế tạo màng mỏng ô-xít Al2O3 trên đế bán dẫn Si bằng phương pháp lắng đọng lớp nguyên tử ALD. Công nghệ chế tạo. Kết quả đo C-V và tính toán mật độ sai hỏng tại phân biên.

Khảo sát cấu trúc MOS Au/ALD-HfO2/GaN. Ảnh hưởng chất lượng đế lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN. Ảnh hưởng chiều dày lớp ô-xít lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO2/GaN. Nghiên cứu tính chất điện của linh kiện MOS HEMT.

111 Kết luận chương IV. 113 Kết luận chung. 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

132 v Danh mục hình vẽ Hình 1. So sánh một vài tính chất của Si, gallium nitride (GaN) và silic carbide (SiC) cho các ứng dụng bán dẫn công suất [15]. Hệ số phẩm chất của Si, SiC và GaN [22]. Đường BFoM thấp hơn ứng với vật liệu có tính chất tốt hơn.

Mối liên hệ giữa điện trở bật với điện áp đánh thủng cực đại của 3 loại vật liệu Si, Sic và GaN [22]. Sơ đồ cấu trúc của AlxGa1-xN/GaN HEMT [30]. 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 [30].

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 [30]. 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 [30]. Đặc trưng IDS – VDS của một linh kiện GaN HEMT [34].

Đặc trưng Gm – VGS của một linh kiện HEMT [35]. Mô hình mạch điện nguyên lý cho (a) transistor GaN HEMT và (b) transistor Si MOSFET. 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)[45]. Đường đặc trưng I – V lý thuyết và thực tế của tiếp xúc Schottky.

Mặt cắt ngang của cấu trúc cơ bản của GaN HEMT [53]. GaN HEMT kênh thường đóng làm việc ở chế độ nghèo sử dụng cấu trúc cascode [53]. 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 [53]. Các ứng dụng của GaN và SiC theo công suất và tần số hoạt động [56].

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 [61]. Hàm phân bố xuyên tâm cặp của AlN, GaN và Al0,5Ga0,5N. Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể của hệ Al1-xGaxN. Hàm phân bố góc liên kết N-Ga(Al)-N trong hệ Al1-xGaxN.

Phân bố bán kính lỗ hổng trong các mẫu Al1-xGaxN VĐH ở 300K. Hình ảnh lỗ hổng phân bố trong các mẫu Al0,5Ga0,5N. Hàm PBXT tổng (a) và các hàm PBXT cặp của HfO2 (b),(c),(d) tại các áp suất khác nhau. Tỉ phần cấu trúc của HfOx (a), OHfy (b) và số phối trí trung bình (c).

PBGLK của O-Hf-O (a) và Hf-O-Hf tại các áp suất khác nhau. 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. Cấu trúc các màng mỏng GaN HEMT được sử dụng cho quá trình mô phỏng.

Sơ đồ khối quá trình giải tự thích cặp phương trình Schrodinger và Possion. Sơ đồ khối của quá trình mô phỏng GaN HEMT. Cấu trúc của Al0,25Ga0,75N với 96 nguyên tử supercell. Cấu trúc của Al0,33Ga0,67N với 72 nguyên tử supercell.

Sự phụ thuộc của nồng độ hạt tải vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào mật độ hạt tải. Sự phụ thuộc của độ dẫn điện vào nhiệt độ. Sơ đồ cấu tạo của linh kiện HEMT (a) và MOS-HEMT (b).

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[96]. Đặc trưng mô phỏng IDsat – Vg của transistor HEMT – Yoon.

Sơ đồ cấu trúc đa lớp của phiến bán dẫn được sử dụng để nghiên cứu chế tạo linh kiện AlxGa1-xN /GaN HEMT. Cấu trúc của một linh kiện AlxGa1-xN/GaN HEMT. Sơ đồ quy trình công nghệ thông thường chế tạo linh kiện HEMT. Mặt cắt ngang của linh kiện HEMT theo thiết kế.

Ô MASK dùng cho quang khắc chế tạo HEMT. Hình ảnh của 1 lớp (MASK) được thiết kế cho việc chế tạo linh kiện HEMT. Ảnh chụp bằng hiển vi điện tử của một vài linh kiện HEMT sau khi chế tạo. Làm sạch bề mặt mẫu bán dẫn theo quy trình tiêu chuẩn.

Sơ đồ quá trình quang khắc sử dụng cảm quang dương và cảm quang âm. Quá trình chiếu sáng UV truyền hình ảnh từ ô MASK lên bề mặt lớp cảm quang. Bề mặt mẫu bao gồm lớp cảm quang dương sau khi chiếu UV, xử lý trong dung dịch thuốc hiện và sấy lần 2. Sơ đồ hệ thống ICP-RIE [100].

Độ sâu ăn mòn mục tiêu.Các nhóm (1),(2) và (3) có các độ sâu ăn mòn khác nhau. Hình ảnh thiết kế (a) và sau khi chế tạo (b) của cấu trúc của mẫu thử sử dụng để đo điện trở tiếp xúc Ohmic bằng phương pháp LTLM. Sơ đồ cấu trúc của tiếp xúc Ohmic. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn lên đặc trưng I-V của tiếp xúc Ohmic.

Cấu trúc LTLM được sử dụng để xác định điện trở tiếp xúc. 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. Kết quả LTLM của mẫu M2/2 sau khi ủ ở nhiệt độ 650ºC, trong môi trường Ni-tơ, thời gian 60 giây.

Hệ thống ủ nhiệt nhanh và sơ đồ gia tăng nhiệt độ 2 bước. Ảnh hưởng của độ sâu ăn mòn lên điện trở tiếp xúc đặc trưng. 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. Sơ đồ cấu trúc của diode Schottky. Đặc trưng I – V của diode Schottky AlGaN/GaN. Đặc trưng I – V phóng to của diode Schottky AlGaN/GaN.

Đặc trưng I – V phân cực thuận của một diode Schottky AlxGa1-xN/GaN với một trục đơn vị log(I). 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. 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.