GaN基電子器件勢(shì)壘層應(yīng)變與極化研究.pdf

1、GaN基異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFETs)由于其禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)、飽和電子漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及由極化效應(yīng)產(chǎn)生的二維電子氣(2DEG)輸運(yùn)特性優(yōu)越等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于抗輻射、高溫、高壓、高頻、大功率電子器件，在無(wú)線通信基站、汽車電子、電力傳輸、衛(wèi)星、雷達(dá)探測(cè)、航空航天、核工業(yè)和單片微波集成電路(MMICs)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
　　雖然圍繞GaN基電子器件的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)二十幾年，GaN基HFE

2、Ts器件的各項(xiàng)參數(shù)水平有了很大的進(jìn)步，也有一些器件從實(shí)驗(yàn)室走向了市場(chǎng)，然而，器件可靠性問(wèn)題仍然是GaN基電子器件大規(guī)模應(yīng)用的一大瓶頸，因此可靠性問(wèn)題的研究是現(xiàn)如今GaN基電子器件最熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。器件應(yīng)用中所使用的Ⅲ-族氮化物材料為極性材料，極化效應(yīng)是Ⅲ-族氮化物材料體系有別于其它半導(dǎo)體材料體系的最重要特征，自發(fā)極化和壓電極化可以對(duì)應(yīng)變Ⅲ-族氮化物材料的載流子濃度、分布以及復(fù)合產(chǎn)生極大的影響。對(duì)于GaN基異質(zhì)結(jié)材料（包括AlGaN/G

3、aN、AlN/GaN以及InAlN/GaN等），上述極化效應(yīng)的影響會(huì)變得更加強(qiáng)烈，這些異質(zhì)結(jié)材料，無(wú)需任何摻雜，僅僅通過(guò)極化應(yīng)力就可以在異質(zhì)界面處的量子阱中產(chǎn)生高達(dá)1013cm-2量級(jí)的2DEG。研究表明，器件制造過(guò)程中的各個(gè)工藝過(guò)程基本上都會(huì)對(duì)GaN基HFETs器件勢(shì)壘層應(yīng)變分布均勻性產(chǎn)生一定的影響，而勢(shì)壘層應(yīng)變分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘層極化電荷的分布不均勻，由此產(chǎn)生對(duì)溝道2DEG的散射作用，這就是極化庫(kù)侖場(chǎng)散射。通過(guò)已有的研究我們知道

4、，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射是GaN基HFETs器件中最重要的散射機(jī)制之一，對(duì)器件的載流子遷移率有著極其重要的影響。同時(shí)，研究表明，器件工作過(guò)程中勢(shì)壘層應(yīng)變的變化在器件退化以及失效過(guò)程中扮演著極其重要的角色。因此，GaN基電子器件勢(shì)壘層應(yīng)變與極化的研究對(duì)于提高器件性能以及穩(wěn)定性非常有意義。
　　本文首先提出了一種確定GaN基HFETs器件柵下勢(shì)壘層應(yīng)變的方法，然后分析了柵極快速熱退火、柵金屬以及柵結(jié)構(gòu)對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器

5、件性能的影響，主要研究了這些因素對(duì)勢(shì)壘層應(yīng)變與極化的作用。另外，還對(duì)AlN/GaN這種新興異質(zhì)結(jié)材料的蓋帽層和邊歐姆接觸工藝開(kāi)展了研究，具體包括以下內(nèi)容:
　　1、確定GaN基HFETs器件柵下勢(shì)壘層應(yīng)變方法的研究
　　由極化效應(yīng)引起的極化電荷對(duì)于GaN基HFETs器件的性能至關(guān)重要，而極化效應(yīng)是與勢(shì)壘層應(yīng)變直接相關(guān)的，柵下勢(shì)壘層的應(yīng)變直接影響著溝道2DEG特性，然而，由于GaN基異質(zhì)結(jié)材料中勢(shì)壘層往往都非常薄，并且由于很厚

6、的柵金屬層的阻擋作用，常規(guī)的應(yīng)變測(cè)試方法均無(wú)法直接分析得到柵下勢(shì)壘層的應(yīng)變信息，因而非常有必要研究一種可以直接確定柵下勢(shì)壘層應(yīng)變的方法。我們提出了一種從GaN基HFETs器件的正向電流-電壓(I-V)特性曲線以及電容-電壓(C-V)特性曲線獲取柵下勢(shì)壘層應(yīng)變的方法。該方法首先通過(guò)對(duì)器件電學(xué)特性的分析，從實(shí)驗(yàn)的角度獲取了柵電極下方總的極化電荷面密度，然后通過(guò)基本極化理論，推導(dǎo)出了柵電極下方極化電荷面密度，兩者相結(jié)合確定了GaN基HFETs

7、器件柵下勢(shì)壘層應(yīng)變的基本信息。運(yùn)用此種方法，我們分別計(jì)算了常規(guī)歐姆接觸和邊歐姆接觸AlGaN/AlN/GaN HFETs器件柵下勢(shì)壘層的應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)這兩種器件均是越靠近歐姆接觸區(qū)域，勢(shì)壘層張應(yīng)變?cè)饺?，為了研究這種現(xiàn)象的成因，我們對(duì)器件進(jìn)行了SEM-EDS測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)常規(guī)歐姆接觸工藝對(duì)于AlGaN/AlN/GaN HFETs器件的勢(shì)壘層應(yīng)變有著極其重要的影響，而邊歐姆接觸工藝由于其相對(duì)較低的退火溫度和較小的金屬覆蓋面積，對(duì)于由歐姆接觸工藝

8、引起的勢(shì)壘層應(yīng)變變化有著很好的緩和作用，邊歐姆接觸工藝的使用可以有效減弱極化庫(kù)侖場(chǎng)散射，對(duì)于器件電學(xué)特性的提升有著不錯(cuò)的效果。
　　2、柵極快速熱退火對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影響的研究
　　我們研究了快速熱退火對(duì)于以Ti/Al/Ni/Au和Ni/Au金屬作為柵電極的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件電學(xué)性能的影響，對(duì)于以Ti/Al/Ni/Au金屬作為柵電極的器件，通過(guò)微區(qū)拉曼以及器件電學(xué)性能的

9、測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)適度地快速熱退火不僅可以使AlGaN勢(shì)壘層的應(yīng)變分布變的均勻一些，從而有效減弱極化庫(kù)侖場(chǎng)散射，提高器件2DEG電子遷移率，還可以有效提高器件肖特基勢(shì)壘高度，改善器件直流輸出特性。然而，過(guò)度地快速熱退火卻不但使上述提到的電學(xué)性能變差，還會(huì)使AlGaN勢(shì)壘層的應(yīng)變分布重新變的不均勻。對(duì)于以Ni/Au金屬作為柵電極的器件，我們發(fā)現(xiàn)在400℃以下退火時(shí)，Ni/Au柵電極表現(xiàn)出了非常不錯(cuò)的熱穩(wěn)定性，柵電容以及柵下2DEG面密度基本未

10、發(fā)生變化。然而，當(dāng)柵退火溫度進(jìn)一步提升，達(dá)到600℃以及更高時(shí)，可以看到，柵下2DEG面密度急劇下降，器件閾值電壓也開(kāi)始明顯正向漂移，通過(guò)計(jì)算柵下應(yīng)變我們發(fā)現(xiàn)，較高的退火溫度會(huì)對(duì)器件勢(shì)壘層的晶格結(jié)構(gòu)起到破壞作用，使得器件退化甚至失效，并且退火溫度越高，破壞作用越強(qiáng)。
　　3、柵金屬及柵結(jié)構(gòu)對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影響的研究
　　針對(duì)柵電極，我們分別研究了不同柵金屬厚度、柵金屬種類、浮柵結(jié)構(gòu)以及分裂柵結(jié)

11、構(gòu)對(duì)AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能以及極化庫(kù)侖場(chǎng)散射的影響，對(duì)于柵金屬厚度的研究，我們制作了三種不同厚度的Ni/Au肖特基柵器件，厚度分別為50 nm/50 nm、50nm/150nm以及50nm/300nm，研究發(fā)現(xiàn)柵金屬厚度對(duì)于勢(shì)壘層應(yīng)變影響很微弱，對(duì)極化庫(kù)侖場(chǎng)散射的影響也很小。對(duì)于柵金屬種類的研究，我們制作了6種相同厚度的柵金屬，分別為Al/Au、Au、Cu/Au、Pt/Au、Ni/Au以及Fe/Au，研究發(fā)現(xiàn)，柵

12、金屬種類對(duì)勢(shì)壘層應(yīng)變影響很大，對(duì)極化庫(kù)侖場(chǎng)散射的影響也非常顯著。對(duì)于Al這種可以在常溫下直接和勢(shì)壘層進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的金屬來(lái)說(shuō)，化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致AlGaN勢(shì)壘層變薄，使得器件柵下2DEG面密度降低，同時(shí)，這種反應(yīng)還會(huì)在界面處生成一些蓬松的物質(zhì)，使得柵金屬與2DEG溝道之間的距離拉大，從而導(dǎo)致柵電極對(duì)于2DEG的控制能力減弱，使得與其它柵金屬器件相比，器件閾值電壓向負(fù)值方向漂移明顯。對(duì)于那些不與勢(shì)壘層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬來(lái)說(shuō)，柵金屬與勢(shì)壘層之間存

13、在著物理相互作用，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射強(qiáng)度與柵金屬的楊氏模量成反比例關(guān)系。對(duì)于浮柵結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了無(wú)浮柵、單邊浮柵以及雙邊浮柵結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)加浮柵器件極化庫(kù)侖場(chǎng)散射比無(wú)浮柵器件要強(qiáng)一些，并且浮柵個(gè)數(shù)越多，距離中央柵越近，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射也越強(qiáng)。對(duì)于分裂柵結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了柵面積一致，不同柵指數(shù)的器件，研究發(fā)現(xiàn)，隨著柵指數(shù)的增加，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射也在不斷增強(qiáng)，極化庫(kù)侖場(chǎng)散射強(qiáng)度的變化主要是由于柵結(jié)構(gòu)不同所引起的器件沿溝道極化電荷不均勻分布區(qū)域數(shù)目的變

14、化引起的，極化電荷不均勻分布主要與不同柵結(jié)構(gòu)所引起的勢(shì)壘層應(yīng)變分布的變化有關(guān)。
　　4、AlN/GaN材料蓋帽層結(jié)構(gòu)及器件邊歐姆接觸工藝的研究
　　GaN是目前報(bào)道最多的應(yīng)用于GaN基異質(zhì)結(jié)的蓋帽層材料，GaN蓋帽層的研究對(duì)于AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料特性的優(yōu)化非常有意義，其厚度直接影響著材料的2DEG面密度以及電子遷移率，通過(guò)對(duì)3種不同蓋帽層厚度的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的研究，主要包括變溫霍爾測(cè)試、原子力顯微鏡(AFM)表

15、面形貌分析以及材料各散射機(jī)制的數(shù)值擬合，我們研究發(fā)現(xiàn):很薄的GaN蓋帽層并不能起到有效保護(hù)AlN勢(shì)壘層的目的，但是，一味地增加GaN蓋帽層厚度，卻也會(huì)帶來(lái)諸如位錯(cuò)密度以及界面粗糙度增大的問(wèn)題，對(duì)材料性能產(chǎn)生一系列不利影響，對(duì)于勢(shì)壘層為3nm的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料而言，GaN蓋帽層的最優(yōu)厚度應(yīng)該在4nm左右，最后我們還發(fā)現(xiàn)，3nm應(yīng)變AlN勢(shì)壘層的a-軸晶格常數(shù)小于GaN層的晶格常數(shù)。
　　另外，通過(guò)對(duì)邊歐姆接觸AlN/GaN

16、HFETs器件的電學(xué)性能測(cè)試，我們分析了邊歐姆接觸工藝對(duì)AlN/GaN HFETs器件中極化庫(kù)侖場(chǎng)散射的影響，發(fā)現(xiàn)邊歐姆接觸工藝可以大大減弱AlN/GaN HFETs器件中的極化庫(kù)侖場(chǎng)散射，這主要是由于邊歐姆接觸金屬與AlN勢(shì)壘層的重合面積不僅比常規(guī)歐姆接觸要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，其退火溫度也要比常規(guī)歐姆接觸低150℃左右，因此，在快速熱退火過(guò)程中，會(huì)有相對(duì)較少的金屬原子擴(kuò)散進(jìn)入到AlN勢(shì)壘層。此外，我們還比較了AlN/GaN與AlGaN/Al