增强型AlGaNGaN槽栅HEMT研制与特性分析精.docx

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增强型AlGaNGaN槽栅HEMT研制与特性分析精

中国科学E辑:

技术科学2009年第39卷第1期:

119~123

119

《中国科学》杂志社

SCIENCEINCHINAPRESS

增强型AlGaN/GaN槽栅HEMT研制与特性分析

郝跃,王冲*,倪金玉,冯倩,张进城,毛维

西安电子科技大学微电子研究所,宽禁带半导体材料与器件重点实验室,西安710071*联系人,E-mail:

wangchong197810@收稿日期:

2007-11-15;接受日期:

2008-03-20国家自然科学基金资助项目（批准号:

60736033

摘要成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型AlGaN/GaNHEMT.栅长1

µm,源漏间距4µm,槽深10nm的器件在1.5V栅压下饱和电流达到233mA/mm,最大跨导210mS/mm,阈值电压为0.12V,器件在500℃N2气氛中5min退火后阈值电压提高到0.53V.深入研究发现,当器件槽深15nm时,相比槽深10nm器件饱和电流和跨导有所减小,但阈值电压从0.12V提高到0.47V.利用不同刻蚀

深度AlGaN/GaN异质结的C-V特性,深入研究了阈值电压、

栅控能力与刻蚀深度的关系.

关键词

增强型高电子迁移率晶体管AlGaN/GaN槽栅阈值电压

AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管（HEMT

在高温器件及大功率微波器件方面已显示出得天独厚的优势

[1~2]

追求器件高频率、高压、高功率特性

吸引了众多人进行研究.近年来,由于高压开关和高速电路的驱动,GaN增强型器件成为关注的又一研究热点.由于AlGaN/GaN异质结生长完成后,异质结

界面就存在大量二维电子气（2DEG,当材料制作成器件加负栅压后才能将2DEG耗尽而使沟道夹断,即常规AlGaN/GaNHEMT为耗尽型器件.但在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件,确保只加正栅压才有工作电流.Lanford等人[3]采用刻蚀掉AlGaN/GaN异质结的一部分AlGaN层制作槽栅结构,利用肖特基结对2DEG的耗尽作用来实现增强型器件;Wang等人[4]

采用对栅区域注入F离子的方法也实现了增强型器件;Liu等人[5]采用AlInGaN/GaN异质结也实现了非槽栅的增强型器件.本文报道了成功研制的新型槽栅增强型AlGaN/GaNHEMT特性,并分析了栅槽的深度和高温退火对器件特性的影响.

1增强型器件的实现

采用MOCVD方法在蓝宝石衬底基片（0001面上外延生长了AlGaN/GaN异质结.蓝宝石衬底厚度为330µm,材料层结构由下而上依次为:

3µm未掺杂GaN外延层;5nm未掺杂AlGaN隔离层;12nmSi掺杂AlGaN层（Si掺杂浓度2×1018cm−3;5nm未掺杂AlGaN帽层.PL谱测量后计算得到的AlGaN层Al组份为27%（Al0.27Ga0.73N.Hall效应测量显示,室温下蓝宝石衬底上生长的材料的2DEG电子迁移率µn和

面密度Ns分别为1267cm2/Vs和1.12×1013cm−2.研制的增强型HEMT的材料结构如图1所示,它的材料结构与耗尽型结构是完全兼容的.

器件台面隔离采用ICP干法刻蚀,刻蚀深度为

150nm,刻蚀速率为100nm/min;源漏欧姆接触采用Ti/Al/Ni/Au（30/180/40/60nm850℃N2中退火.在做好栅掩模后采用ICP干法刻蚀栅槽,选择了10和15

nm两个栅槽深度,刻蚀速率为0.1nm/s,刻蚀偏压为

50V.做完栅槽刻蚀后立即进行栅金属蒸发,栅金属

郝跃等:

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图1增强型AlGaN/GaN槽栅HEMT结构图

采用Ni/Au（30/200nm.制备的AlGaN/GaNHEMT栅长为1µm,栅宽为100µm,源漏间距为4µm,栅处于源漏间正中央.肖特基C-V测试结构内外环直径分别

为120和200µm,TLM结构宽度为100µm,两测试结构都与HEMT在同一片材料上制作,并规则的分布于器件周围,TLM计算得到接触电阻Rc为0.63Ω·mm,比接触电阻1.2×10−5Ω·cm2.使用HP4156B精密半导体参数测试仪测试了器件直流特性,C-V测试采用Keithley590C-V分析仪进行.

2结果和讨论

在漏偏置电压为5V下,我们对未刻蚀栅槽的耗尽型HEMT与槽深分别为10和15nm的增强型

HEMT进行了转移特性测试,如图2所示.从图2可以明显的看出器件在刻蚀栅槽后阈值电压向正方向移动,未刻蚀栅槽时阈值电压为−2.2V,在刻蚀栅槽为10nm时阈值电压为0.12V,在刻蚀栅槽为15nm时阈值电压为0.47V.刻蚀栅槽后,由于AlGaN层的厚度减薄,AlGaN/GaN异质结界面2DEG更容易受到肖特基势垒耗尽作用的影响;刻蚀过程中可能引入表面损伤,引起负电荷聚集效应.这些因素都会引起饱和电流下降,阈值电压正移.所以栅压为1.5V时未刻蚀栅槽的器件饱和电流为535mA/mm,而刻蚀栅槽10和15nm后饱和电流分别减小到233和145mA/mm.

图3为未刻蚀栅槽的耗尽型HEMT与槽深分别为10nm和15nm的增强型HEMT最大跨导对比,漏偏压为5V.槽深为10nm的增强型HEMT最大跨导

图2不同刻蚀深度的器件转移特性对比

图3不同刻蚀深度的器件跨导对比

达到210mS/mm,而未刻蚀栅槽的器件最大跨导为171mS/mm,槽深15nm的器件最大跨导为162mS/mm.器件刻槽后AlGaN层减薄,这使得栅对沟道载流子的控制能力增强,所以槽深10nm的器件跨导有所提高,但当槽深较大后AlGaN层过薄,沟道载流子迁移率更容易受到等离子体刻蚀的影响,所以槽深15nm的器件跨导没有进一步增大.控制等离子体的刻蚀损伤对器件特性的提高至关重要.

图4给出了未刻蚀栅槽的耗尽型HEMT与槽深分别为10和15nm的增强型HEMT栅反向泄漏电流的对比.当栅区域的AlGaN层被ICP刻蚀中的离子轰击后,表面会产生一定的刻蚀损伤,N空位的增加[6]

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和表面缺陷的增多都会造成肖特基泄漏电流的增大.

而且刻蚀后的器件栅都制作在Si掺杂AlGaN的层上,掺杂导致的电子遂穿效应[7]也增大了肖特基泄漏电流.减小肖特基泄漏电流,需要进一步降低刻蚀自偏压,并将肖特基栅制作在未掺杂的AlGaN上.图5为槽深

10nm增强型HEMT输出特性

.

图4不同刻蚀深度的器件栅泄漏电流对比

图5槽深10nm增强型HEMT输出特性

进一步研究在退火条件下,增强型HEMT特性的变化,这是一个十分关注的问题[8~10].对槽深10nm增强型HEMT进行了500℃下N2气氛退火5min,退火前后的转移特性和跨导曲线如图6和7所示.退火后槽深10nm增强型HEMT在1.5V栅压下的饱和电流下降了25.9%,最大跨导仅下降6.5%,但阈值电压从0.12V提高到0.53V.器件退火后饱和电流下降

是由于高温退火后肖特基势垒高度提高从而影响到2DEG密度.2DEG密度与肖特基势垒高度关系可以表示为

22012

/（/（（,

DpolBDiNsqdqqΦEcNdddσεε=−−∆+−

（1

其中Ns2D为2DEG密度,σpol为极化电荷,q为电子电量,ε0和ε分别为空气和AlGaN的介电常数,qΦB为肖特基势垒高度,∆EC为导带不连续性,ND为AlGaN掺杂浓度,d和di分别为AlGaN层总厚度和空间隔离层的厚度.从（1式看出,提高的势垒高度减小了2DEG密度,所以造成器件饱和电流的下降.器件退火后阈值电压向正方向移动也是同样的原因引起.阈值电压

图6槽深为10nm器件退火前后转移特性对比

图7槽深为10nm器件退火前后跨导对比

郝跃等:

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VT与势垒高度的关系又可以表示为

20101

（.2pol

CDiTBEqNddVΦdqσεεεε∆−=−−−（2

当肖特基势垒升高,栅对2DEG的耗尽作用增强,使器件阈值电压向正方向移动.

进一步,利用C-V的测试研究不同刻蚀条件的

AlGaN/GaN异质结载流子分布和耗尽电压的变化.

在频率为1MHz下进行C-V测试.从图8可以看出,未刻蚀的材料耗尽电压为−2.3V,与耗尽型器件的阈值电压相近;而刻蚀10nm的材料C-V耗尽电压向正向移动到了0V附近,刻蚀15nm的材料C-V电容在偏压为0.3V时还没有明显的电容平台,C-V耗尽电压的测试结果也对应了不同槽深的增强型AlGaN/

GaNHEMT的阈值电压.当C-V的测试电压大于0.5V后,由于肖特基正偏电流的问题,C-V测试结果会

出现由于等效模型计算而造成的异常,所以图8中仅显示了正偏电压小于0.5V的曲线.从图8中可以看

图8不同刻蚀深度异质结材料肖特基C-V特性对比

出未刻蚀的材料C-V电容最大为67pF,而刻蚀10nm

的材料C-V电容最大达到116pF,刻蚀15nm的材料C-V电容在偏压为正后还没有明显电容平台.当C-V测试正偏电压接近0.5V后,槽深15nm的器件由于肖特基正偏漏电较大造成C-V测试等效模型计算不

准确,而且半导体中刻蚀引起的缺陷态浓度过高会导致载流子跟不上C-V测试的频率,这两个因素都可能造成槽深15nm的C-V曲线没有出现电容平台.异质结C-V电容越大反映出肖特基结对载流子的控制

能力越强.刻蚀10nm的材料C-V电容峰值比未刻蚀材料的C-V电容峰值大将近一倍,但从制作出的器件最大跨导值的对比却远未到一倍,这说明器件的欧姆接触电阻影响了10nm槽深增强型HEMT跨导更进一步提高的空间,而我们用C-V电容峰值比较仅能得到本征跨导间的对应关系.

3结论

采用槽栅结构实现了饱和电流233mA/mm,最大跨导210mS/mm,阈值电压为0.12V的增强型AlGaN/GaNHEMT,并实现了退火后阈值电压为0.53V（该电压已经能够适用于开关器件和高速数字器件.

重点研究了不同的槽深对增强型AlGaN/GaNHEMT

特性的影响,当槽深增大时阈值电压明显增大,但AlGaN层过薄时饱和电流下降较为明显,这就需要

对器件阈值电压和饱和电流进行折中考虑,选择最佳栅槽深度,使在提高阈值电压的同时保证器件的电流和跨导受到较小影响.退火过程中栅肖特基势垒高度得到提高,而提高的肖特基势垒高度对沟道

的2DEG有明显耗尽作用,这是引起器件饱和电流下降及阈值电压增大的主要原因.

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4―8

2009低碳技术国际学术会议征稿通知

时间地点:

2009年9月15~18日,北京

网址:

www.ISLCT会议主席:

徐建中院士（中国合作主席:

佐藤幹夫博士（日本

송진수博士（韩国

主办单位:

中国工程热物理学会

日本机械工程学会能源系统分会韩国新能源和可再生能源学会会议主题

大气中二氧化碳含量的提高造成全球气候变暖,导致干旱、海平面上升和更多的灾害.低碳技术可以防止灾难性的气候变化,并可以减少全球有限能源的消耗率.低碳经济和绿色能源的发展不但可以保护环境,还可以造成新的经济增长.

征文内容

（1制造业、农业、交通、工业过程和能源开发等各方面的高效节能技术.

（2二氧化碳减排技术,包括清洁煤燃烧,低排量烃燃料、氢和混合燃料动力技术,以及碳捕获和存储技术.

（3新能源和可再生能源技术,例如:

生物质能、地热能、水能、太阳能、潮汐能、波浪能和风能.

（4化石燃料和二氧化碳排放造成环境污染的控制技术及环境保护技术.重要日期

提交800字英文摘要:

2009年3月31日论文接收函:

2009年4月30日提交论文全文:

2009年7月1日