氮化鎵異質結構場效電晶體

Abstract

摘 要

本論文的研究目標為開發高性能氮化鎵場效電晶體。研究課題包括元件製程技術的開發及元件基本問題的探討。在元件製程技術的開發部份，我們成功的開發出製作氮化鎵場效電晶體所需的製程技術。這些製程技術包括電感偶合電漿蝕刻、電漿處理的低阻值歐姆接觸及窄T型閘極製作。在電感偶合電漿蝕刻部分，在適當的蝕刻條件下，我們可以製作出具有平坦及垂直側壁的絕緣平台。在元件歐姆接觸部分，我們利用不同條件的電漿處理得到低阻值的歐姆接觸 (~ 1e-6 ohmcm^2)。此外，我們也進一步證明其具有很好熱穩定性。在窄T型閘極製作部份，我們利用低加速電壓的電子束來製作窄T型閘。我們設計適當的圖形來有效地改善低加速電壓下的正向散射效應，最小的閘極長度可縮小至40 nm。 在元件基本問題的探討部分，我們研究元件的極化效應及熱效應。在元件的極化效應部分，我們做了廣泛的研究。我們設計幾種不同的元件結構，探討其表面型態、電子傳輸性質及元件特性，並實驗證明極化效應對電子傳輸性質及元件特性皆扮演了關鍵性的角色。對於undoped結構，極化效應可導致高濃度二維電子氣 (~ 1e13 cm-2) 在AlGaN/GaN界面形成。因此AlGaN/GaN元件具有很大的輸出電流。在元件的熱效應部分，我們探討在不同溫度下，不同的元件結構其通道中電子的傳輸性質及元件特性。我們利用活化能的分析，成功的解釋調變摻雜結構的元件在不同的溫度下通道中電子濃度變化的原因。此外，我們也對不同結構的元件在不同的溫度下的特性作比較，並觀察到具調變摻雜結構的元件在不同的溫度下的特性都比undoped結構的元件好。我們成功的製作出具有大輸出電流 (undoped ~ 700 mA/mm; modulation-doped ~ 1000 mA/mm)、高崩潰電壓 (undoped ~ 100 V; modulation-doped ~ 53 V) 及高操作頻率 (undoped ~ 32 GHz; modulation-doped ~ 75 GHz) 的氮化鎵場效電晶體。這些優異的元件特性也充分的證明氮化鎵異質結構場效電晶體的確是非常好的微波高功率元件。