氮化物MIs-HEMT器件界面工程研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的肖特基柵HEMT相比，GaN基絕緣柵HEMT器件可以有效減小柵極泄漏電流，在高效微波功率放大器、高壓開關(guān)等應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，柵絕緣層與氮化物之間嚴重的界面問題會引起器件性能退化和可靠性問題，近年來成為國際研究的熱點。本論文創(chuàng)新性地采用AlN柵絕緣層替代常用的柵氧介質(zhì)，基于高質(zhì)量AlN絕緣層材料制備工藝和優(yōu)化的界面預(yù)處理工藝，研制了高界面質(zhì)量的GaN基MIS-HEMT器件，并利用等效電路和解析模型對其界面特性進行了定

2、量表征。論文的主要研究成果包括:
　　(1)采用等離子增強原子層沉積技術(shù)在低溫下制備了高質(zhì)量的AlN絕緣層材料。采用TMA和NH3作為反應(yīng)前驅(qū)體源，通過優(yōu)化前驅(qū)體脈沖時間、吹掃時間、RF功率等工藝參數(shù)，在100℃-300℃工藝溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了AlN薄膜的自限制飽和生長。AlN薄膜沉積速率約為0.081 nm/cycle，實現(xiàn)了原子尺度上的膜厚精確控制。通過優(yōu)化工藝溫度，在300℃下得到了光學(xué)禁帶寬度為5.8eV、表面粗糙度RMS小

3、于0.5nm的AlN薄膜。XPS測試結(jié)果顯示，PEALD沉積AlN薄膜中氧雜質(zhì)原子含量處于13％的較低水平，Al/N原子比為1.6。AlN薄膜中不含碳雜質(zhì)，說明優(yōu)化的沉積工藝有效避免了TMA前驅(qū)體中的碳原子嵌入?？焖贌嵬嘶鹛幚硎贡∧そY(jié)構(gòu)和電學(xué)特性進一步改善，優(yōu)化的退火溫度范圍是450℃。
　　(2)開發(fā)并優(yōu)化了GaN基MIS-HEMT器件的低損傷界面預(yù)處理技術(shù)和表面鈍化工藝。HF溶液處理使AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)方阻顯著減小，但是

4、導(dǎo)致歐姆接觸特性惡化，所以本論文采用對溝道和歐姆接觸影響不大的KOH堿溶液化學(xué)清洗工藝。Hall測試表明，KOH溶液清洗、N2等離子體處理、O2/N2等離子體處理分別使2DEG密度升高10％，遷移率降低10-20％; NH3/N2等離子體處理過程，含氫基團使2DEG密度降低約10％，遷移率提高約10％?；诒砻嫣幚斫Y(jié)果優(yōu)化了MIS-HEMT器件的原位界面預(yù)處理工藝，確定NH3/N2等離子體預(yù)處理可以使器件獲得最優(yōu)的界面和溝道輸運特性。研

5、究了10nm表面鈍化層對異質(zhì)結(jié)溝道特性的影響，Hall測試顯示PEALD沉積AlN、ALD沉積Al2O3、PECVD沉積SiN分別使異質(zhì)結(jié)方阻減小10％以上。拉曼測試表明鈍化層對異質(zhì)結(jié)應(yīng)力作用很小，溝道輸運特性變化來源于表面調(diào)制作用。Al2O3鈍化層中含有-OH基團，ON使界面態(tài)和2DEG面密度增大;AlN和SiN生長過程中有NH3參與反應(yīng)，表面施主態(tài)減少導(dǎo)致2DEG密度降低20％-50％，遷移率提高至原來的2倍，且AlN鈍化層的表面調(diào)

6、制作用更強。脈沖測試表明AlN鈍化器件的電流崩塌量僅為6％，遠遠低于常規(guī)PECVD沉積SiN鈍化器件的26％，從而確定PEALD沉積AlN為最優(yōu)的表面鈍化層材料。
　　(3)基于PEALD沉積AlN柵絕緣層和界面預(yù)處理技術(shù)，研制了高界面質(zhì)量和溝道輸運特性的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。與肖特基柵HEMT相比，采用20nm厚Al2O3柵絕緣層的MOS-HEMT器件Vth負向漂移5.2V，而采用AlN柵絕緣層的MIS-HE

7、MT器件Vth僅負漂了0.8V。AlN柵絕緣層使絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V測試Vth回滯電壓從0.6V減小至50mV以下，變頻C-V表明界面態(tài)密度從4.61×1012cm-2減小至2.78×1012cm-2。AlN柵絕緣層使GaN基絕緣柵HEMT器件溝道輸運特性和場效應(yīng)遷移率提高，0.5μm柵長器件的峰值跨導(dǎo)從203mS/mm提高到289mS/mm，甚至超過了肖特基柵器件的270mS/mm。AlN柵絕緣層有效改善了絕緣柵HEMT器件的頻率特

8、性和穩(wěn)定性，與Al2O3柵絕緣層器件相比fT/fmax水平從10.8GHz/11.6GHz提高到13.4GHz/16.1GHz。研制的5nm-Al2O3/1 nm-AlN超薄疊層介質(zhì)凹槽柵MIS-HEMT飽和輸出電流和峰值跨導(dǎo)分別為1.24 A/mm和413mS/mm，開關(guān)態(tài)電流比達到10-10。100μm凹槽柵MIS-HEMT器件的fT/fmax達到24GHz/102GHz，AB類工作條件下5GHz連續(xù)波輸出功率超過7W/mm，功率附

9、加效率在40％以上。
　　(4)建立了GaN基絕緣柵HEMT器件的界面電荷定量表征模型，并對AlN/勢壘層和Al2O3/勢壘層界面電荷進行了對比分析。建立了GaN基絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面態(tài)等效電路模型，利用變頻電導(dǎo)法成功分離了異質(zhì)結(jié)界面和絕緣層/勢壘層兩個界面處的陷阱，且并聯(lián)電導(dǎo)譜線擬合方法比常用的C-V測試方法更精確，此方法得到了國際同行的高度評價。PEALD沉積AlN柵絕緣層與勢壘層之間界面態(tài)密度為0.97-2.2×1013cm

10、-2eV-1，分布在導(dǎo)帶底以下0.45-0.67eV能級范圍;ALD沉積Al2O3柵絕緣層與勢壘層界面ON缺陷使陷阱能級變深為0.52-0.72eV，態(tài)密度增大到1.6-9.0×1013cm-2eV-1。基于異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)和界面電荷分布，建立了肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平帶電壓解析模型，比直接采用閾值電壓解析法更加準確。Al2O3與勢壘層界面電荷密度高達8.98×1012cm-2，引起平帶電壓和閾值電壓負漂3.78V;而AlN絕緣層界面