CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẤU TRÚC MOS-HEMT SỬ DỤNG LỚP ĐIỆN MÔI HIGH-K
4.4. Nghiên cứu tính chất điện của linh kiện MOS HEMT
Trong phần nghiên cứu này của luận án tiến sĩ, tác giả tập trung nghiên cứu
đặc trưng 𝐼𝐷𝑆− 𝑉𝐷𝑆, đặc tính truyền dẫn, hệ số truyền dẫn của linh kiện MOS- HEMT trên cơ sở cấu trúc dị thể AlGaN/GaN sử dụng mô hình mô phỏng đã xây dựng được. Thêm vào đó, ảnh hưởng của chiều dày lớp oxit cực cửa cũng được khảo sát.
Linh kiện MOS – HEMT được sử dụng để nghiên cứu có cấu trúc điển hình AlmGa1−mN/GaN với nồng độ mol của Al là 𝑚 = 0,2 và lớp ô-xít dưới cực cổng.
Kích thước của cực cửa gồm chiều dài và chiều rộng của cực cửa lần lượt là 𝐿𝑔 = 40 μm, 𝑊𝑔 = 153 μm và độ dầy của lớp ô-xít 𝑡𝑜𝑥 = 10 nm. Ngoài ra, để thống nhất với kết quả thực nghiệm của Hasan, độ linh động điện tử được chọn ở đây là 2200 cm2/V.s.
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 [125].
112 Hình 4.15 miêu tả đồng thời các đường cong 𝐼𝐷𝑆– 𝑉𝐷𝑆 được tính toán từ mô phỏng cho MOS-HEMT và so sánh với thực nghiệm của Hasan [126], ứng với các điện áp cực cửa 𝑉𝑔 khác nhau. Chúng ta có thể thấy dòng 𝐼𝐷𝑆đạt được giá trị bão hòa cực đại là 33 mA/mm tại giá trị thế vào cực cửa 𝑉𝑔 = 0 V. Điều này phù hợp với kết quả nhận được từ báo cáo của Hasan [125]. Ngoài ra, trong hình 4.15, các số liệu thực nghiêm cũng được đưa vào dưới dạng các ký tự nhằm so sánh sự khác biệt giữa thực nghiệm của Hasan và mô hình mô phỏng. Kết quả thu được cho thấy một sự khác biệt không lớn giữa hai loại kết quả này. Điều này một lần nữa cho thấy sự phù hợp với thực nghiệm của mô hình mô phỏng này.
Hình 4.16 biểu diễn dòng máng trong vùng bão hòa như là một hàm của thế cực cửa đặt vào (đặc trưng 𝐼𝐷𝑠𝑎𝑡– 𝑉𝐺) thu được từ mô phỏng. Có thể nhận thấy, giá trị dòng máng trong vùng này tăng dần khi giá trị 𝑉𝑔 thay đổi từ -4 V đến 0 V. Trong đó, -4 V chính là giá trị điện áp ngưỡng biến đổi, 𝑉𝑡ℎ. So sánh với các giá trị thu được từ thực nghiệm, giá trị cho thấy sự phù hợp của mô hình mô phỏng. Hơn nữa, điều này cũng phù hợp với đường cong được chỉ ra trong lý thuyết.
Hình 4.16. Đặc trưng mô phỏng IDsat – VG của transistor MOS-HEMT [125].
113
Kết luận chương IV
Đã chế tạo thành công lớp điện môi high-k Al2O3 trên đế Si bằng phương pháp ALD. Qua đó, chiều dày của lớp ô-xít được xác định bằng phương pháp ellipsometry. Trong đó, bề dày màng tăng tuyến tính với tốc độ tạo màng là 1,0 Å / chu kỳ ALD.
Đã chế tạo thành công cấu trúc MOS Au/ALD-HfO2/GaN với chất lượng đế và chiều dày lớp ô-xít khác nhau rồi tiến hành đo đạc khảo sát đặc trưng C-V nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của chất lượng đế cũng như độ dày lớp ô-xít lên đặc trưng này của linh kiện. Bằng các kết quả thu được từ đặc trưng C-V, chúng tôi thu được kết quả của thế dải phẳng VFB và nồng độ điện tích bề mặt tổng cộng.
Đã cải tiến mô hình cho linh kiện HEMT nhằm mô hình hóa cấu trúc MOS – HEMT và mô hình cũng cho thấy sự phù hợp khi so sánh với kết quả thu được từ thực nghiệm.
114
Kết luận chung
Bằng phương pháp mô phỏng Nguyên lý ban đầu, luận án đã thiết kế và tối ưu hóa độ dầy lớp mũ GaN là 1 nm và tỉ lệ hợp phần tối ưu của nguyên tố Al trong cấu trúc dị thể AlxGa1-xN/GaN của linh kiện HEMT là 0,25 mol. Các kết quả này cũng đã được ứng dụng vào linh kiện thực tế nhưng do các hạn chế về kỹ thuật chế tạo mà độ dày lớp mũ GaN trong linh kiện chế tạo được là 2nm.
Đã chế tạo được linh kiện HEMT thực tế với tiếp xúc Ohmic có điện trở suất thấp, ρc = 1,08 × 10−7Ωcm2, tại độ sâu ăn mòn khoảng 18 nm và tại nhiệt độ ủ là 650ºC. Đây là điểm mới của luận án do các nghiên cứu khác đã phải tiến hành ủ nhiệt tại nhiệt độ hơn 800ºC để đạt được giá trị điện trở suất tương tự.
Đã chế tạo thành công màng mỏng high – k Au/ALD HfO2/GaN/In trên đế Si (111). Cấu trúc MOS được hoàn thành với các cổng kim loại Au dày 100 nm, với diện tích khoảng (1– 4) × 10−4 cm2. Lớp bán dẫn được liên kết với đế Si (111) bằng lớp kim loại In. Các đặc trưng điện của cấu trúc MOS đã được khảo sát và tính toán.
115
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. 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. 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. 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. 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. (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).
6. 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.
7. 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/S0217979220401499. (ISI, Q4).
8. Nghiên cứu tính chất bẫy bề mặt tại phân biên cấu trúc ALD Al2O3 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).
116 Các công trình và hoạt động khoa học khác
1. Tham gia hội nghị ACCMS-TM 2018 vào tháng 9 năm 2018, tại Đại học Quốc
gia Hà Nội, NCS báo cáo với tiêu đề “Electrical properties of ALD-HfO2/GaN MOS structures”.
2. Growth and characterization of Al2O3 Ultra-Thin Film as a Passivation Layer for Silicon Solar Cells, Journal of Science & Technology (HUST), 126 (2018) 059-062, ISSN 2525-1518.
117