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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.63 MB, 175 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

Hà Nội – 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TRUNG ĐÔ

NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO

TRANSISTOR CĨ ĐỘ LINH ĐỘNG ĐIỆN TỬ CAO DỰA TRÊN GaN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

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 thuậtMã số: 9520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:1. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Trung2. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Thoan

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án “Nghiên cứu mơphỏng và cơng nghệ chế tạo transistor có độ linh động điện tử cao dựa trênGaN” là trung thực và khơng 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 đềuđược trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố.

Hà Nội , ngày tháng năm

Nguyễn Hoàng Thoan

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô giáo củakhoa Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội cũng như các thầy cô của nhàtrường, đã hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hồn thành luận án.Bên cạnh đó, sự giúp đỡ, động viên và khích lệ về mọi mặt của cha mẹ, anh chị emngười thân trong gia đình cũng như bạn bè đã động viên, khích lệ em trong suốt qtrình theo học và thực hiện luận án.

Người viết xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội , ngày tháng nămNghiên cứu sinh

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

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

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.4.Mô phỏng cấu trúc GaN HEMT bằng phần mềm Matlab ... 58

2.4.1. Xây dựng mơ hình điện của linh kiện HEMT và MOS-HEMT trên cơ sở bándẫn Al x Ga 1-x N/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 cơng nghệ chế tạo linh kiện GaN HEMT ... 70

3.3.Thiết kế bộ MASK chế tạo linh kiện HEMT ... 74

3.4.Quy trình cơng 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 LỚPĐIỆN MÔI HIGH-K ... 99

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

4.1.Cấu trúc MOS HEMT ... 99

4.2.Chế tạo màng mỏng ơ-xít Al 2 O 3 trên đế bán dẫn Si bằng phương pháp lắng đọng lớpnguyên tử ALD ... 102

4.2.1. Công nghệ chế tạo ... 102

4.2.2. Kết quả đo C-V và tính tốn mật độ sai hỏng tại phân biên ... 106

4.3.Khảo sát cấu trúc MOS Au/ALD-HfO 2 /GaN ...107

4.3.1. Ảnh hưởng chất lượng đế lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO 2 /GaN ...109

4.3.2. Ảnh hưởng chiều dày lớp ơ-xít lên đặc trưng C-V của tụ MOS HfO 2 /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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ... 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 122

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Hình 1.2. Hệ số phẩm chất của Si, SiC và GaN [9]. Đường BFoM thấp hơn ứng vớivật 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 loạivật liệu Si, Sic và GaN.

16

Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc của Al x Ga 1-x N/GaN HEMT [16] ...19

Hình 1.5. a) Cấu trúc tinh thể của mặt Ga(Al) cấu trúc wurzite của Al x Ga 1-x N. b)Sựphân cực sinh ra điện tích cảm ứng bề mặt và hướng của phân cực tự phát vàphâncực áp điện trong mặt Ga của cấu trúc dị thể Al x Ga 1-x N /GaN biến dạng [16]20

Hình 1.6. Biểu đồ vùng nơi giao nhau của Al x Ga 1-x N/GaN hoặc AlN chuyển tiếp dịthể. 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 n s phụ thuộc vào chiều dày d của lớp rào thế Al x Ga 1-x N,

ứng với một số giá trị khác nhau của nồng độ Al [16] 22

Hình 1.8. Đặc trưng I DS – V DS của một linh kiện GaN HEMT [20] ...24

Hình 1.9. Đặc trưng G m – V GS của một linh kiện HEMT [21] ...25

Hình 1.10. Mơ hình mạch điện nguyên lý cho (a) transistor GaN HEMT và (b)

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 vớichiều cao rào thế Φ B của bán dẫn dị thể Al x Ga 1-x N/GaN không pha tạp (a) và phatạp

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

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

32Hình 1.16. Kỹ thuật điều chỉnh điện áp ngưỡng bằng xử lý cực cổng của GaNHEMT 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]

33Hình 1.17. Các ứng dụng của GaN và SiC theo công suất và tần số hoạt động [37].

Hình 2.2. Hàm phân bố xuyên tâm tổng thể của hệ Al 1-x Ga x N ...44

Hình 2.3. Hàm phân bố góc liên kết N-Ga(Al)-N trong hệ Al 1-x Ga x N ...44

Hình 2.4. Phân bố bán kính lỗ hổng trong các mẫu Al 1-x Ga x N VĐH ở 300K. ...46

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Hình 2.5. Hình ảnh lỗ hổng phân bố trong các mẫu Al 0.5 Ga 0.5 N. ...46

Hình 2.6. Hàm PBXT tổng (a) và các hàm PBXT cặp của HfO 2 (b),(c),(d) tại các ápsuất khác nhau.

48Hình 2.7. Tỉ phần cấu trúc của HfO x (a), Ohf y (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 HfO 2 khi bị nén. Hình nhỏ biểudiễn ứng suất Young như là một hàm của mật độ HfO 2

52Hình 2.10. Cấu trúc các màng mỏng GaN HEMT được sử dụng cho q trình mơphỏng.

53Hình 2.11. Sơ đồ khối q trình giải tự thích cặp phương trình Schrodinger vàPossion.

54 Hình 2.12. Sơ đồ khối của q trình mơ phỏng GaN HEMT. ... 55

Hình 2.13. Cấu trúc của Al 25 Ga 75 N với 96 nguyên tử supercell. ...56

Hình 2.14. Cấu trúc của Al 33 Ga 67 N 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 C 2 (z) và Hàm 3 C(z) ...61

Hình 2.20. Đặc trưng I DS – V Ds 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 kýhiệubiểudiễnđường thực nghiệm[75]

68Hình 2.21. Đặc trưng mơ phỏng I Dsat – V g của transistor HEMT – Yoon. ...69

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc đa lớp của phiến bán dẫn được sử dụng để nghiên cứu chếtạo linh kiện Al x Ga 1-x N /GaN HEMT.

71Hình 3.2. Cấu trúc của một linh kiện x AlGa 1-x N/GaN HEMT. ...72

Hình 3.3. Sơ đồ quy trình cơng 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 kiệnHEMT

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

75

Hình 3.7 . Ảnh chụp bằng hiển vi điện tử của một vài linh kiện HEMT sau khi chếtạo.

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 quangâm (b)

77

Hình 3.10. Quá trình chiếu sáng UV truyền hình ảnh từ ô MASK lên bề mặt lớpcảm quang

78

Hình 3.11. Bề mặt mẫu bao gồm lớp cảm quang dương sau khi chiếu UV, xử lýtrong dung dịch thuốc hiện và sấy lần 2.

79

Hình 3.12. Sơ đồ hệ thống ICP-RIE [79] ... 79

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 3.13. Độ sâu ăn mịn mục tiêu.Các nhóm (1),(2) và (3) có các độ sâu ăn mòn

80

Hình 3.14. Hình ảnh thiết kế (a) và sau khi chế tạo (b) của cấu trúc của mẫu thử sửdụng 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). iLlàkhoảngcáchgiữacácđiệncựckimloại.

87

Hình 3.18. Kết quả LTLM của mẫu M2/2 sau khi ủ ở nhiệt độ 650º C, trong mơi

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, kimloại 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 Al x Ga 1-x N/GaN

93

Hình 3.26. Đặc trưng I DS – V DS 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 thayđổi

94

Hình 3.27. Đặc trưng I DS – V DS của linh kiện HEMT α có kênh dẫn dài 4 µm. Điệnthế 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 G m và dóng máng I DS phụ thuộc vào hiệu điện thế cực cổngV

G của linh kiện HEMT α (a), và của linh kiện HEMT thường (b) với V DS = 10 V.95

Hình 3.29. Đặc trưng I DS – V DS 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

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

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, ở300

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 Al 2 O 3 bằng phương pháp ellipsometry.105Hình 4.6. Phổ huỳnh quang tia X, XPS của mẫu Al 2 O 3 được chế tạo với 200

105

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Hình 4.7. Phóng to đỉnh phổ ứng với Al2P và O1s của phổ XPS của mẫu Al 2 O 3

106

Hình 4.8. (a) Đường đặc trưng C-V của mẫu GaN/5-nm Al 2 O 3 /Au. Mũi tên chỉhướng quét khi đo. (b) So sánh đặc trưng C-V chuẩn hóa về 1 (giá trị C/C max) củamẫu tương ứng ở 300 K và 200 K (môi trường đá khô CO 2 ).

107

Hình 4.9. Sơ đồ cấu trúc tụ MOS HfO 2 /GaN chế tạo trên đế (111)Si. ...108

Hình 4.10.(a) Đường đặc trưng C-V của mẫu HG3 GaN/5-nm HfO 2 /In. Mũi tên chỉhướng quét khi đo. (b) đồ thị 1/C2

-1/C ox 2 phụ thuộc thế cực cửa V G , sử dụng đểtính thế dải phẳng (V FB ) và nồng độ pha tạp đếbándẫn. 109

Hình 4.11. Đồ thị C-V của tụ MOS GaN/HfO 2 /In tại tần số 10 kHz đo được tạinhiệtđộ 300 K và 200 K của ba mẫu HG1, HG2 và HG3 cho thấy dịch chuyển nhiệtđộGray-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 HfO 2 /GaNvới chiều dày lớp ô-xít khác nhau từ 5  20 nm. 113

Hình 4.13. Đồ thị đường(1/C HF 2 – 1/C ox 2 ) – V G ở tần số 10 kHz của tụ MOSHfO 2 /GaN với chiều dày lớp ơ-xít khác nhau từ5  20 nm. 113

Hình 4.14. Thế dải phẳng V FB ước tính từ đặc trưng 10 kHz phụ thuộc vào chiềudày lớp ô-xít. Đường nét liền là hàm fit tuyến tính, sử dụng để tính điện tích cố định

114

Hình 4.15. Đặc trưng I DS – V DS của MOS-HEMT: so sánh lý thuyết và thựcnghiệm. 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 mơ phỏng I Dsat – V G của transistor MOS-HEMT [104] 116

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

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 phốitrí trung bình trong hệ vật liệu Al 1-x Ga x N

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 ănmòn mong muốn. Phiến 1 được dùng cho xử lý bề mặt trong khi phiến 2, 3 và 4được 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

81

Bảng 3.2. Các thông số chính của q trình ăn mịn ICP ... 82

Bảng 3.3. Các thông số của q trình ăn mịn ICP tốt nhất. ... 83

Bảng 3.4. Độ sâu ăn mòn của cấu trúc LTLM trên HEMT Al x Ga 1-x N/GaN trước khiphủ

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 I Dsat và V pinch-off ứng với các giá trị khác nhau của V G ...96

Bảng 4.1. Một vài thông số của bán dẫn và tính chất tại phân biên cấu trúc MOSHfO 2 /GaN rút ra từ đo đặc trưng C-V tại nhiệt phòng, tần số 10 kHz. 110

Bảng 4.2. Giá trị V FB và N D thay đổi theo chiều dày lớp ơ-xít. ...112

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Danh mục ký tự viết tắt

STT Kí hiệu

1 2DEG Lớp khí điện tử hai chiều Two – Dimension Electron Gas2 AFM Kính hiển vi lực nguyên

nguyên tử Atomic Layer Deposition4 BfoM Hệ số phẩm chất Baliga Baliga’s Figure of Merit5 CVD Lắng đọng từ pha hơi hóa

6 ĐLHPT Động lực học phân tử7 FEM Phương pháp sai phân hữu

8 FESEM Hiển vi điện tử quét độphân giải cao

Field Emission ScanningElectronic Microscope

trường Field Effect Transistor

Nuôi đơn tinh thể trongmôi trường dung dịch

Nitơ áp suất cao

High Nitrogen Pressure Solution Growth

11 HEMT Transistor có độ linh động

điện tử cao High Electron Mobility Transistor

13 HVPE Epitaxy pha hơi lai Hydride Vapor Phase Epitaxy14 ICP kết hợp cảm ứng từ Inductively Coupled Plasma

Plasma15 IGBT Bóng bán dẫn lưỡng cực

cổng cách điện Insulated Gate Bipolar Transistor

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

nguyên khối

Monolithic Microwave IntegratedCircuits

21 MOSCAP Tụ điện MOS Metal – Oxide – SemiconductorCapacitor

Transistor hiệu ứngtrường kim loại – ơ xít –

28 RIE Ăn mịn bằng chùm ion

kích hoạt Reactive Ion Etching29 SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electronic Microscope

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

1. Lý do chọn đề tài

Đặt vấn đề

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Quy trình cơng nghệ sản xuất linh kiện vi điện tử (IC) dựa trên vật liệu bándẫn Silic là một trong những thành tựu khoa học – công nghệ nổi bật nhất của thếkỷ 20 và là tiền đề cho sự phát triển khoa học công nghệ ngày nay. Tuy nhiên, cácthông số của linh kiện trên cơ sở vật liệu Silic đã đạt tới giới hạn, khơng thể pháttriển hơn, chính vì vậy mà các nhà khoa học trên tồn thế giới hiện đang khơngngừng tìm kiếm và sáng tạo các vật liệu mới để thay thế Silic với các tính chất nổitrội 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 vậtliệu GaN như transistor có độ linh động điện tử cao dựa trên nền vật liệuGaN/AlxGa1-xN (High-Electron Mobility Transistors - HEMT) đang là lựa chọn tốiưu cho các ứng dụng bán dẫn năng lượng mới nổi và nhanh chóng thay thế cơngnghệ 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 làmviệc rất cao, nhiệt độ làm việc cao, điện trường đánh thủng cao (2×106 V/cm) vàvận tốc chuyển động của điện tử lên tới 107 cm/s. Do đó, linh kiện này hiện đã vàđang được nghiên cứu và phát triển bởi các hãng sản xuất thiết bị điện tử hàng đầuthế giới.

Mặc dù đã có sự phát triển tuyệt vời của công nghệ GaN HEMT trong thờigian gần đây, vẫn còn những vấn đề đang giới hạn các đặc tính của thiết bị baogồm: sai lệch trong cấu trúc mạng tinh thể, thất thốt dịng cực cửa và điện trở tiếpxúc 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 cơng nghệ chế tạotransistor 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 kếtquả 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:

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

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 cơng 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 mơ hình hóa và mơ phỏng trên vậtliệu và hoạt động của linh kiện) với nghiên cứu công nghệ chế tạo linh kiệnGaN HEMT và hướng tới giải quyết một số vấn đề thiết kế linh kiện trongcác ứng dụng cụ thể cũng như làm chủ công nghệ chế tạo. Các vấn đề khoahọc và công nghệ sẽ được triển khai theo phương pháp truyền thống và phổbiến 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 cơngnghệ thời kì 4.0, các mối quan tâm về môi trường sống cũng như chất lượngcuộc sống đang ngày càng được quan tâm nhiều hơn. Do đó, để đáp ứng cácyêu cầu hiện đại của công nghệ điện tử ngày nay như mức công suất cao, khảnăng kết nối tốt mà kích thước lại nhỏ gọn, các nhà khoa học đã và đang tậptrung vào việc nghiên cứu một thế hệ linh kiện mới có thể đáp ứng được cácnhu cầu trên để thay thế cho linh kiện Si truyền thống đã khơng cịn phù hợp.Một trong cá hướng nghiên cứu mới mà các nhà khoa học đã đề xuất là sửdụng vật liệu bán dẫn vùng cầm rộng như GaN để sản xuất chế tạo các linhkiện chuyển mạch. Các linh kiện dựa trên vật liệu mới này cùng với các thiết

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

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 cơng suất hiện có.

5. Các kết quả mới của luận án

Bằng các phương pháp mô phỏng khác nhau, tác giả đã mơ phỏng vàmơ hình hóa cũng như tối ưu hóa linh kiện HEMT. Các kết quả mơ phỏngcho thấy sự phù hợp khi so sánh với các kết quả thu được từ thực nghiệm.Điều này chứng minh tính đúng đắn của mơ hình, do đó, mơ hình đã xâydựng hồn tồn có thể sử dụng để mơ phỏng nhằm đưa ra các dự đốn cótính chính xác cũng như độ tin cậy cao cho quá trình chế tạo các thiết bị thựcnghiệm sau này.

 Luận án cũng nghiên cứu thành công công nghệ chế tạo linhkiện HEMT với một vài thông số như điện trở tiếp xúc 𝑅𝑡𝑥 = 8.34 ×10−7 Ωcmcm2, dòng máng bão hòa 𝐼𝐷𝑆 = 80 mA tại 𝑉𝑔 = 2 V và 𝑉𝐷𝑆 = 4.5 V .Đặc biệt, tiếp xúc Ohmic được chế tạo có điện trở suất tiếp xúc là 𝜌 =

1.08 × 10−7

Ωcmcm2 với nhiệt độ ủ là 650ºC trong khi các nghiên cứu khácphải sử dụng nhiệt độ ủ lên đến hơn 800ºC hay thậm chí là 900ºC để đạt đượcgiá 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 chínhnhư sau:

Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN và linh kiện GaNHEMT

Trong chương này, tác giả đưa ra các giới thiệu tổng quan về vật liệubán dẫn vùng cấm rộng GaN cũng như linh kiện GaN HEMT. Các công bốcập 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 mơ phỏng, mơhình hóa và quy trình mơ phỏng cũng như các kết quả thu được. Các phươngpháp bao gồm: mô phỏng MD – Molecular Dynamics , mô phỏng Nguyên lýban đầu – Ab initio và mơ hình hóa linh kiện HEMT bằng phần mềm Matlab.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

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 tiếnhành các bước trong quá trình chế tạo thử nghiệm: thiết kế MASK, chế tạođiện cực tiếp xúc Ohmic, chế tạo điện cực tiếp xúc Schottky, đo đạc một sốđặc 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 lớpđiện môi high-k

Trong chương này, tác giả cũng tiến hành chế tạo thử nghiệm cấu trúcMOS ứng dụng cho linh kiện MOS – HEMT và đo đạc các đặc trưng nhưđặc trưng điện dung – điện áp (C – V) cũng như nghiên cứu các ảnh hưởngcủa chiều dày đế, chất lượng đế lên đặc trưng C – V của tụ MOS. Bên cạnhđó, tác giả cũng tiến hành phát triển mơ hình mơ phỏng đã xây dựng tạichương 2 cho linh kiện HEMT nhằm mô phỏng và mô hình hóa linh kiệnMOS – HEMT.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Ngồi ra, các yêu cầu như tần số chuyển mạch cao, tổn hao chuyển mạchthấp, mật độ năng lượng cao cũng như kích thước nhỏ gọn cũng được kỳ vọng là sẽtiếp tục phát triển nhằm hỗ trợ cho sự phát triển của các công nghệ hiện đại nhưInternet vạn vật (Internet of Thing – IoT) và công nghiệp 4.0. Hiện nay, cáctransistor công suất đang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều hệ thống chuyểnđổi và lưu trữ điện năng. Do đó, việc tăng hiệu suất chuyển đổi trong các linh kiệnbán dẫn công suất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt hơn trong một hệ thốnghoặc thiết bị ứng dụng. Nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng có nghĩa là cảithiện tỷ lệ sử dụng năng lượng tổng thể. Điều này đặt ra một thách thức ngày cànglớn trong việc đưa ra các giao thức thiết kế mới, đóng gói mới và thậm chí cả vậtliệu 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 lịngđáp ứng các u cầu như điện áp đánh thủng cao, mật độ công suất lớn, tổn haothấp, môi trường hoạt động khắc nghiệt của hệ thống điện bao gồm bức xạ, tiếp xúcvới nhiệt độ cao và chu trình nhiệt phạm vi rộng. Như vậy, việc nỗ lực nghiên cứucả về lý thuyết và thực nghiệm đã tập trung vào việc tìm ra các giải pháp thay thế để

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

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 trênvật liệu bán dẫn vùng cấm rộng (WBG) như GaN và SiC đã được nghiên cứu kỹlưỡng để khai thác được đầy đủ tiềm năng của chúng. Các linh kiện này, với thiết kếphù hợp, khơng chỉ mang lại lợi ích cho các hệ thống chuyển đổi điện năng hiện cómà cịn cung cấp các khả năng mới trong việc cải thiện một số hệ thống điện tửcơng suất hiện có [3].

Như có thể thấy trong hình 1.1, SiC có tính dẫn nhiệt vượt trội, trong khi GaNcó độ rộng vùng cấm và độ linh động điện tử cao nhất. Các linh kiện làm từ vật liệuSiC vượt trội hơn nhiều so với các linh kiện tương ứng từ vật liệu Si trong các ứngdụng công suất cao (hơn 600 V) và hiện được coi là phù hợp nhất để chuyển đổicông suất ở mức điện áp nói trên. Tuy nhiên, chế tạo vật liệu chất lượng cao SiC làkhá hạn chế do giá thành cao. Do đó, các linh kiện dựa trên vật liệu GaN được coi làcác lựa chọn thay thế tiềm năng cho các thiết bị sử dụng trong các ứng dụng tại điệnáp mức thấp đến trung bình. Tuy nhiên, điện áp ngưỡng rất thấp (Vth) của các linhkiện GaN HEMT thông thường là một vấn đề kỹ thuật cần được cải thiện trong cácứng dụng thực tế [4].

Bảng 1.1 chỉ ra những ưu điểm đáng kể của GaN cũng như SiC so với Sitruyền thống trong các ứng dụng bán dẫn công suất.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Điện trường tới hạn, 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡 (M.V/cm) 0.3 2.2 3.3

Vận tốc điện tử bão hòa, 𝜐𝑠𝑎𝑡 (107 cm/s) 1 2 2.5Độ linh động điện tử, 𝜇𝑛 (cm2/V.s) 1400 900 1800

Nồng độ hạt tải thuần, 𝑛𝑖 (cm-3) 1 × 1010 8 × 109 2 × 1010Hệ số phẩm chất tương đối so với Si 1 500 3270Có thể thấy hầu hết các thơng số của GaN vượt trội hơn một chút so với SiC

và Si, đặc biệt chỉ số Baliga’s Figures of Merit (FoM) cao hơn ba lần so với SiC và

hàng nghìn lần so với Si. Trong khi SiC cung cấp độ dẫn nhiệt vượt trội (có giá trịlà 4 W/Kcm so với 1.5 W/Kcm của Si và 1.3 W/Kcm của GaN) thì GaN lại có đượcđộ rộng vùng cấm lớn cũng như độ linh động điện tử cao nhất (𝐸𝐺=3.4 eV, sovới

1.12 eV của Si và 3.2 eV của SiC và 𝜇𝑛= 1800 cm2/Vs so với giá trị 1400 cm2/Vscủa Si và 900 cm2/Vs của SiC). Độ dẫn nhiệt của GaN thấp hơn SiC, có nghĩa làthiết bị SiC sẽ hoạt động với hiệu suất tốt hơn trong điều kiện nhiệt độ cao.

1.2. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng

Sự khác biệt nổi trội của GaN HEMT so với linh kiện Silic truyền thống làlinh kiện HEMT được chế tạo từ các màng vật liệu bán dẫn có năng lượng vùngcấm rộng và khác nhau, được gọi là chuyển tiếp dị thể [6]. Các điện tử trong linhkiện HEMT dịch chuyển từ vật liệu có vùng cấm rộng hơn sang vật liệu có vùngcấm nhỏ hơn, tạo ra một lớp khí điện tử 2 chiều (2DEG). Độ linh động điện tử (𝜇𝑛)tại lớp khí điện tử 2 chiều đạt giá trị cao bất thường ở nhiệt độ phòng do hiệu ứngtán xạ giảm [7]. HEMT có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với các linh kiện bándẫn thông thường và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm tần số cao như cácthiết bị radar trong ngành thông tin và truyền thông [8].

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Lớp 2DEG trong cấu trúc AlxGa1-xN /GaN được hình thành dựa trên kết quảcó được từ hiệu ứng phân cực tự phát và phân cực áp điện tại lớp AlxGa1-xN. Đốivới cấu trúc dị thể, giá trị mật độ hạt dẫn trong lớp 2DEG điển hình là 1x1013 cm-2với nồng độ Al là ~ 20-30 %. Một số thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùngcấm rộng được phân tích và đánh giá như sau.

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.

Thơng số phẩm chất hay hệ số phẩm chất BFoM được sử dụng để so sánhtính chất của vật liệu cho các linh kiện bán dẫn công suất. Giá trị của BFoM được

xác định bằng tích của điện trở linh kiện nhân với tổng điện tích bề mặt cực cổng(𝑅 ∗ 𝑄) tại một giá trị điện áp và dòng điện cần thiết để chuyển mạch. Thông

thường BFoM “đơn cực” hoặc “Baliga”, được xác định bởi công thức [10] :

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Giá trị BFoM thấp hơn dẫn đến hiệu suất cao hơn trong bộ chuyển đổi DC-DCtần số cao [11]. Hình 1.2 cho thấy đường BFoM cho ba vật liệu nói trên [9]. GaN và

SiC có hệ số phẩm chất được cải thiện rõ rệt so với Si [12].

Trong q trình chuyển đổi, tổn hao điện năng có thể được phân loại thành 2dạng chính là tĩnh và động. Tổn hao động là do q trình nạp và phóng điện của tụ

ký sinh (C) trong quá trình chuyển mạch [13]. Trong trường hợp của transistor, điện

dung ký sinh bao gồm điện dung đầu vào (𝐶𝑖𝑛) và điện dung đầu ra (𝐶𝑜𝑢𝑡). Điệndung đầu vào thường có giá trị cao hơn, và có thể chi phối tổn hao cơng suất độngtrong các ứng dụng điện áp thấp. Tuy nhiên, tổn hao công suất do điện dung đầu rasẽ chiếm ưu thế và có thể rất lớn khi các thiết bị sử dụng điện áp cao [14]. Vì vậy,tổn hao động sẽ được xác định như sau:

𝑃𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐 = 𝑓𝐶𝑜𝑢𝑡𝑉𝐵2 (1.3)Trong đó, 𝑓 là tần số chuyển mạch và 𝑉𝐵 là điện áp đánh thủng.

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.

Tổn hao tĩnh xảy ra khi có điện áp phân cực V đặt vào và xuất hiện dòng điện

I đi qua linh kiện ở chế độ BẬT (ON). Công suất tĩnh điện được xác định là:

𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 = 𝑉𝐼.

Trong trường hợp của cả diode và transistor, nguồn tổn hao chính của cơngsuất tĩnh là điện trở BẬT, 𝑅𝑜𝑛 , của vùng trôi (drift region) - là giá trị điện trở cần

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

đạt được để đáp ứng điện áp đánh thủng cao. Khi tính tốn thiết kế linh kiện bándẫn, cần có sự cân bằng và tối ưu hóa giữa điện trở BẬT và điện áp đánh thủng.Nếu muốn có điện áp đánh thủng cao hơn, cần phải thiết kế linh kiện sao cho kíchthước vùng trơi lớn hơn, có nghĩa là tăng của chiều dài và diện tích mặt cắt của linhkiện. Tuy nhiên, việc tăng chiều dài vùng trôi sẽ dẫn đến tăng điện trở BẬT, cụ thểnhư sau:

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Trong phương trình (1.5), 𝜇𝑛 là độ linh động của các điện tử trong vùng trôi.

Như vậy, điện áp chặn cao hơn yêu cầu một lớp vùng nghèo rộng hơn, dẫnđến kích thước vùng trơi dài hơn với điện trở lớn hơn khi linh kiện ở trạng tháiBẬT. Độ linh động của hạt tải trong kênh dẫn của linh kiện HEMT có thể đạt giá trịkhoảng 2000 cm2/Vs, cao hơn gần 100 lần so với trường hợp độ linh động của điệntử trong kênh dẫn của SiC MOSFET. Đây là một lợi thế rất lớn về khả năng đạtđược các giá trị điện trở BẬT thấp, đặc biệt, khi các linh kiện có diện tích nhỏ hơnnhiều. Mối quan hệ giữa điện trở BẬT và điện áp đánh thủng, xác định điện áp chặnlớn nhất theo vùng trôi, được minh họa trong hình 1.3. Biểu đồ này cũng cho biếtthêm rằng tổn hao tĩnh của thiết bị sử dụng linh kiện SiC cao hơn thiết bị tương ứngsử dụng linh kiện GaN 10 lần, dẫn đến hiệu suất sử dụng điện thấp hơn [14].

Tuy nhiên, điện áp đánh thủng của GaN cao hơn SiC khơng có nghĩa là linhkiện GaN phù hợp hơn so với linh kiện SiC khi ứng dụng cho các thiết bị điện ápcao. Điện áp này chỉ đạt được khi linh kiện GaN được chế tạo hoàn toàn trên đế bándẫn đơn tinh thể GaN thuần túy, nhưng đây là vấn đề liên quan đến giá thành sảnphẩm. Gần như tất cả các linh kiện GaN trên thị trường hiện nay đều được chế tạotừ các màng mỏng GaN trên đế Si bằng công nghệ lắng đọng hơi hóa học từ hợpchất cơ kim (Metal Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD). Điều này chophép các nhà sản xuất tăng quy mô và giảm giá thành sản phẩm, nhưng giá trị điện

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

áp đánh thủng chỉ đạt khoảng 1000 V do sự không tương thích về cấu trúc và hằngsố mạng tinh thể giữa các lớp vật liệu bán dẫn và đế Si.

Như vậy, tìm kiếm các giải pháp cơng nghệ để loại bỏ những sai hỏng và cácđiểm khơng tương thích về cấu trúc mạng tinh thể trong các lớp bán dẫn GaN trênnền Si để làm tăng điện áp đánh thủng của linh kiện là các vấn đề quan trọng trongcông nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện GaN HEMT. Một trong những phương phápđược sử dụng mà luận án cũng hướng tới là chế tạo một hoặc nhiều các lớp nền lêntrên đế Si trước khi chế tạo lớp bán dẫn GaN nhằm loại bỏ dần các sai hỏng quatừng phân lớp được chế tạo.

Đế bán dẫn được sử dụng để lắng đọng vật liệu bán dẫn GaN lên trên thườnglà Si, nhưng có thể sử dụng các vật liệu khác như SiC, Sapphire hoặc kim cương.Để lắng đọng lớp GaN trên đế bán dẫn khác loại, một lớp đệm phải được lắng đọngđể làm giảm sự biến dạng cấu trúc giữa GaN và vật liệu khác do sự không tươngthích về cấu trúc và hằng số mạng tinh thể. Lớp đệm này bao gồm một số màngmỏng như GaN, AlxGa1-xN và AlN.

Mặc dù bản thân công nghệ chế tạo phiến bán dẫn khơng trực tiếp liên quanđến q trình thiết kế linh kiện, nhưng các phiến GaN giá cả phải chăng là một bướcquan trọng để thương mại hoá các thiết bị GaN. Trái ngược với phương pháp mọctinh thể từ pha lỏng được sử dụng để sản xuất các phiến bán dẫn Si, phiến GaNthường được sản xuất bằng cách sử dụng kỹ thuật epitaxy pha hơi từ hợp chất cơkim (HVPE) hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD) trên một vật liệu đế như sapphire.Vật liệu khác sau đó được loại bỏ, chỉ để lại lớp GaN của phiến bán dẫn [15]. Bacông nghệ hứa hẹn nhất là nuôi đơn tinh thể trong môi trưởng dung dịch nitơ ápsuất cao (High Nitrogen Pressure Solution Growth - HNPSG), nuôi đơn tinh thểtrong môi trường dung dịch áp suất thấp trong luồng natri (Na-flux) và nuôi đơntinh thể bằng kỹ thuật nhiệt - điện. Phương pháp HNPSG và Na-flux đã được sửdụng để sản xuất GaN trên đế là vật liệu khác có đường kính vài inch. Hiện này,nuôi đơn tinh thể bằng kỹ thuật nhiệt điện là phương pháp thành công nhất trongsản xuất GaN với số lượng lớn, có đường kính phiến hơn 2 inch.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

1.3. Tổng quan về transistor dựa trên bán dẫn có độ linh độngđiện tử cao

1.3.1. Cấu trúc HEMT cơ bản

Các linh kiện HEMTs dựa trên bán dẫn nhóm III-V truyền thống được quantâm nghiên cứu nhằm ứng dụng cho lĩnh vực điện, điện tử cao tần và công suất lớn.Trái ngược với Si – FET truyền thống, kênh dẫn trong GaN HEMT hình thành do:(1) hiện tượng phân cực điện và phân cực tự phát xảy ra trong bán dẫn họ nitride và(2) sự thay đổi đột ngột giữa vùng cấm và vùng hóa trị trong chuyển tiếp dị thể.Điều này hình thành lớp khí điện tử 2 chiều (2DEG) trong lớp vật liệu GaN, lớp

2DEG này đóng vai trị là kênh dẫn của linh kiện [8]. Sự hình thành của lớp 2DEG

sẽ được trình bày kĩ càng hơn ở phần 1.3.2.

Mặt cắt ngang của một linh kiện điển hình AlxGa1-xN/GaN HEMT được thểhiện như trong hình 1.4.

Tiếp xúc kim loại tại cực nguồn và cực máng đều cần là tiếp xúc Ohmic,điện áp đặt giữa chúng điều khiển dòng hạt tải qua kênh dẫn theo phương song songvới bề mặt linh kiện. Cực nguồn thường được nối đất và cực máng được đặt điện ápdương, do đó buộc các điện tử trong 2DEG chạy từ nguồn đến máng. Điện áp giữacực máng và cực nguồn được gọi là 𝑉𝐷𝑆, trong khi điện áp giữa cực cổng và cựcnguồn được gọi là 𝑉𝐺𝑆.

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Cực cổng là một tiếp xúc kim loại/bán dẫn dạng Schottky (rào thế Schottky).Cực cổng Schottky điều khiển sự phân bố điện áp của cấu trúc dị thể bên dưới tiếpxúc và nếu đặt điện áp âm vào cực cổng thì làm suy giảm nồng độ hạt tải trong kênhdẫn. Nếu điện áp âm đủ lớn, kênh dẫn trở nên cạn kiệt hạt tải, và do đó, khơng códịng điện dịch chuyển giữa cực máng và cực nguồn. Điện áp cực cổng cần thiết đểđạt trạng thái khóa kênh được gọi là điện áp ngưỡng (𝑉𝑡ℎ). Khi điện áp ngưỡng âmthì linh kiện được gọi là transistor chế độ nghèo (D-mode HEMT). Giá trị điện ápngưỡng dương ứng với transistor HEMT chế độ tăng cường (E-mode). Linh kiệnAlxGa1-xN/GaN HEMTs thông thường là transistor chế độ D-mode. Trong điềukiện thực tế của luận án, tác giả cùng với tập thể hướng dẫn đã lựa chọn HEMT ởchế độ nghèo để tiến hành nghiên cứu. Do đó, luận án hướng tới nghiên cứu côngnghệ chế tạo các điện cực tiếp giáp, lớp ơ-xít ứng dụng cho cấu trúc MOS cũng nhưtiến hành các mô phỏng nhằm chế tạo được linh kiện HEMT với điện áp ngưỡngthấp.

1.3.2. Phân cực tự phát và phân cực áp điện

Cấu trúc tinh thể của GaN là lục giác (hexagonal) hoặc wurtzite, trong cấutrúc đó có các lớp lục giác xếp chặt, xen kẽ nhau, cứ một một lớp nguyên tử Ga vàmột lớp nguyên tử Nitơ như hình 1.5(a).

cực sinh ra điện tích cảm ứng bề mặt và hướng của phân cực tự phát và phân cực áp điệntrong mặt Ga của cấu trúc dị thể AlxGa1-xN /GaN biến dạng [16].

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Sự bất đối xứng đảo (inversion) kéo theo sự phân cực ion mạnh của các liênkết cộng hóa trị dẫn đến hiện tượng phân cực điện tự phát, và các vectơ phân cựcđiện dọc theo phương trục c, dẫn đến sự phân cực vĩ mơ theo phương đó. Hiệu ứngphân cực này được gọi là phân cực tự phát, 𝑃𝑠𝑝 , sự phân cực này xảy ra khi khôngđặt điện trường ngoài. Khi một lớp rào thế AlxGa1-xN mỏng được lắng đọng trên lớpbán dẫn GaN thì cả hai lớp này chịu ứng suất 𝜎 có tác dụng kéo dãn ra hoặc nén lạido sự khơng tương thích của mạng tinh thể. Ứng suất 𝜎 này gây ra sự phân cực điệnPiezo hay phân cực áp điện làm cho cấu trúc khơng cịn hồn hảo nữa, với vectơphân cực 𝑃𝑝𝑒.

Tăng nồng độ Al trong lớp AlxGa1-xN thì kéo theo độ phân cực áp điện cũngtăng lên. Hình 1.5b cho thấy sự hình thành vùng điện tích cảm ứng bề mặt do phâncực và hướng của véc-tơ phân cực tự phát và phân cực áp điện tại mặt nguyên tử Gabị kéo giãn trong cấu trúc AlxGa1-xN GaN. Mật độ điện tích cảm ứng do diện tượngphân cực, 𝛿 (C/cm2) liên hệ với các véc-tơ phân cực qua biểu thức 1.6

𝛿(𝑥) = 𝑃𝑆𝑃,𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁(𝑥)+𝑃𝑃𝐸,𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁 (𝑥) − 𝑃𝑆𝑃,𝐺𝑎𝑁(1.6)Như vậy, bằng cách tăng hàm lượng Al trong lớp AlxGa1-xN, làm cho mật độđiện tích cảm ứng tăng lên (𝛿). Giản đồ năng lượng của cấu trúc AlxGa1-xN/GaN thểhiện trong hình 1.6. Ta có thể thấy, sự khác biệt bề rộng vùng cấm giữa AlxGa1-xNvà GaN tạo ra sự chênh lệch năng lượng vùng dẫn lớn 𝐸𝐶 (band offset). Hiệu ứngnày làm cho dải năng lượng bị uống cong xuống tại phân biên phía GaN, từ đó tạora một giếng thế trong lớp GaN tại vùng chuyển tiếp AlxGa1-xN/GaN.

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

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].

Giá trị điện tích cảm ứng bề mặt tổng cộng do phân cực gây ra là giống nhautrong các cấu trúc dị thể ứng với các loại phân cực khác nhau xét với cùng một nồngđộ Al và cùng mức độ biến dạng của lớp rào thế. Đối với cấu trúc AlxGa1-xN/GaN

mà lớp GaN chưa được pha tạp, mật độ điện mặt mặt ns (x) có thể được tính thơng

qua điện tích cảm ứng tổng cộng 𝛿(𝑥) theo biểu thức 1.7 [17]:

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

𝑛 (𝑥) = 𝛿(𝑥) − ( 𝜖0𝜖𝑟(𝑥) ) [𝑞𝜃 (𝑥) +𝐸 (𝑥) − ∆𝐸 (𝑥)] (1.7)

𝑞𝑑𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁𝑞2 𝑏 𝐹 𝑐Trong đó, 𝑞 : điện tích ngun tố

𝜖0 : hằng số điện mơi của chân không𝜖𝑟 : hằng số điện môi của lớp AlxGa1-xN𝑑𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁 : độ dày của lớp rào

𝑞𝜃𝑏(𝑥) : độ cao hàng rào thế Schottky

𝐸𝐹: mức Fermi ứng với rìa của vùng dẫn GaN

∆𝐸𝑐 : độ chênh năng lượng vùng dẫn tại phân biên AlxGa1-xN/GaN

với một số giá trị khác nhau của nồng độ Al [16].

Nồng độ 2DEG trong cấu trúc AlxGa1-xN/GaN pha tạp phụ thuộc mạnh vào hàmlượng Al của lớp rào thế AlxGa1-xN, và còn phụ thuộc vào cả độ dày của lớp đó[18]. Kết quả mơ phỏng sự phụ thuộc của nồng độ 2DEG vào nồng độ Al trong lớprào thế AlxGa1-xN (hình 1.7) thể hiện rõ điều này. Để đạt được mật độ công suất caocho linh kiện RF hay thiết bị vi sóng, cấu trúc dị thể AlxGa1-xN/GaN cần phải có

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

nồng độ cao cao [18], [19]. Tuy nhiên, khi nồng độ Al tăng càng cao, việc tạo cáctiếp xúc Ohmic càng khó khăn. Hiện tại, người ta đã nâng được nồng độ Al lên tới40 - 50% mà vẫn đảm bảo chất lượng tiếp xúc. Bên cạnh đó, để gia tăng nồng độ2DEG trong cấu trúc dị thể, cấu trúc cải tiến AlxGa1-xN/AlN/GaN với một lớp mỏngAlN được chế tạo ở giữa các lớp AlxGa1-xN và GaN. Điều này không chỉ làm tăngnồng độ 2DEG mà còn khiến cho lớp 2DEG đạt được độ linh động điện tử cao hơnso với trong cấu trúc AlxGa1-xN/AlN/GaN thơng thường [17]. Điều này có được dobề rộng vùng cấm của AlN rất lớn, làm tăng ∆𝐸𝑐, làm ngăn chặn điện tử khuếch tántừ kênh GaN vào lớp AlxGa1-xN, và do đó làm giảm sự tán xạ hỗn loạn trong hợpkim.

Như được minh họa trong hình 1.7, để đạt được một mức mật độ điện tích bềmặt 2DEG xác định, nếu lớp rào thế AlxGa1-xN càng mỏng thì ta cần lớp đó có nồngđộ Al càng lớn. Do đó, luận án hướng tới nghiên cứu mơ phỏng tính tốn và tối ưuhóa độ dày cũng như tỉ lệ Al của phân lớp này để cải thiện phẩm chất của linh kiện.

1.3.3. Nguyên lý hoạt động của HEMT

Dòng điện giữa cực máng và nguồn có thể được xác định dựa theo cơng thức sau(tỉ lệ với lượng điện tích trong lớp khí điện tử 2 chiều 2DEG di chuyển qua kênhdẫn dưới cực cổng) [16]:

Trong đó 𝑣𝑒𝑓𝑓 là vận tốc hiệu dụng của điện tử trong kênh dẫn, 𝑛𝑠 là mật độhạt tải electron trong khí điện tử hai chiều và 𝑊𝐺là độ rộng kênh dẫn (độ sâu củakênh dẫn). Mật độ hạt tải có thể thay đổi từ giá trị lớn nhất là 𝑛𝑠0 đến giá trị nhỏnhất là 0, phụ thuộc vào điện áp đặt vào cực cổng.

Giả định giá trị ns đó chạy từ 0 ≤ 𝑛𝑠 ≤ 𝑛𝑠0, 𝑛𝑠 nhận giá trị:

𝑛𝑠 = 𝜖𝐴𝑙𝐺𝑎𝑁 (𝑉𝐺−𝑉𝑡ℎ) (1.9)

Trong đó 𝑑𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎1−𝑥𝑁 là chiều giày của lớp rào Schottky AlxGa1-xN, ∆𝑑 làkhoảng cách hiệu dụng của lớp khí điện tử 2 chiều 2DEG đến phân biên tiếp xúc dịthể AlxGa1-xN/GaN, và 𝑉𝐺 là giá trị điện áp cực cổng. Vậy khi giá trị điện áp cực

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

cổng đạt giá trị 𝑉𝑡ℎ, 𝑛𝑠 đạt giá trị 0, và khơng có dịng điện dịch chuyển giữa mángvà nguồn.

Khi HEMTs hoạt động ở điện áp máng thấp sao cho 𝑉𝐷𝑆 < 𝑉𝐺 − 𝑉𝑡ℎ, linhkiện sẽ hoạt động ở chế độ tuyến tính, khi đó vận tốc của điện tử cũng sẽ phụ thuộctuyến tính vào cường độ điện trường. Tuy nhiên, khi điện thế cực máng cao (𝑉𝐷𝑆 >𝑉𝐺 − 𝑉𝑡ℎ), vận tốc hiệu dụng điện tử đạt bão hòa và trở nên không phụ thuộc cườngđộ điện trường. Vận tốc bão hõa (𝑣𝑠𝑎𝑡) liên quan đến tán xạ (va chạm) của điện tửtrên các nút mạng tinh thể bán dẫn. Trong hấu hết các ứng dụng thực tế, linh kiệnHEMT hoạt động ở chế độ điển hình là chế độ điện áp cực máng cao, hay chính làchế độ bão hòa. Dòng máng ở chế độ bão hòa được biểu diễn:

Hình 1.8. Đặc trưng IDS – VDS của một linh kiện GaN HEMT [20].

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Trong linh kiện HEMT, kênh dẫn được điều khiển bởi điện áp đặt trên cựccổng Schottly và độ dẫn nội tại được tính thông qua độ dẫn, 𝑔𝑚, xác định bởi côngthức 1.11:

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

Với 𝑉𝐺 đủ lớn, 𝑛𝑠 trong kênh bão hòa và 𝑔𝑚 đạt giá trị cực đại. Nếu tiếp tụctăng giá trị 𝑉𝐺 sẽ làm cho các hạt tải nằm trong lớp AlxGa1-xN thay vì trong kênhGaN. Trong lớp rào thế, độ linh động của các hạt tải nhỏ, và kết quả là giảm vận tốchạt tải. Tóm lại, vận tốc hiệu dụng của các hạt tải bị giảm dẫn tới 𝑔𝑚 giảm khi 𝑉𝐺tăng cao.

</div>