（微电子学与固体电子学专业论文）algangan+moshemt器件特性研究.pdf

摘要 摘要 国内外的研究报道表明，高性能a i g a n g a n 异质结器件在大功率微波领域的 应用有较大的优势，然而从a i g a n g a n 异质结器件诞生以来伴随的界面缺陷、陷 阱电荷以及较大的栅泄漏电流等问题严重制约了这种器件的应用。因此，针对抑 制栅泄漏电流和减少表面态的绝缘介质钝化工艺和金属氧化物半导体( m o s ) 结构 就成为研究的热点。另外，g a n 作为宽禁带半导体材料有高温应用的优势， a i g a n g a n 异质结器件的温度特性研究也至关重要。 本文采用原子层淀积( a l d ) 实现了1 0 r i ma 1 2 0 3 为栅介质的高性能a i g a n g a n 金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管( m o s h e m t ) 。通过对m o s h e m t 器件和 传统m e s h e m t 器件室温特性的对比，验证了新型m o s - h e m t 器件饱和电流和 泄漏电流的优势。通过分析m o s h e m t 器件在3 0 18 0 之间特性的变化规律，与 国内报道的传统m e s h e m t 器件随温度退化程度对比，发现了器件饱和电流和跨 导的退化主要是由于输运特性退化造成的。另外本文分析了电容随温度变化曲线 时发现，两种器件有较大的不同，作者假设为a 1 2 0 3 与a 1 g a n 之间良好的接触特 性减少了表面陷阱电荷，通过拟合阈值电压随温度的变化曲线，定量证明了这个 结论。从而全面说明了栅介质减小了引入a 1 g a n 界面的表面态是提高特性的重要 原因。 关键词：a i g a n g a nh i e m t ，原子层淀积o 扎d ) ，陷阱电荷，温度特性 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n tp r o g r e s si na l g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ( h f e t s ) h a sd e m o n s t r a t e dt h a tt l l e ya r ek e yd e v i c e sf o rh i g h - p o w e rm i c r o w a v ea p p l i c a t i o n h o w e v e r , m a n yq u e s t i o n sr e l a t e dt ot h em a t e r i a lq u a l i t ys u c ha sd e f e c ts t a t e sa n d t r a p p i n ge f f e c t si nah e t e r o s t r u c t u r ea n df o l l o w i n gd e v i c ep e r f o r m a n c er e l i a b i l i t ya l e s t i l lo p e n p a s s i v a t e dh f e t sw i t hag a t ei n s u l a t o r , m e t a l - o x i d es e m i c o n d u c t o r ( m o s ) r n p e t sa r et h e r e f o r eu n d e rs y s t e m a t i cs t u d i e sb e c a u s et h e yl e a dt os m a l l e rg a t e l e a k a g ec u r r e n ta n da l l o wt h es u p p r e s s i o no fs u r f a c es t a t ed e f e c t sa n dt h u si n c r e a s ei n t h eo u t p u tp o w e r o nt h eo t h e rh a n d ，h i g hb a n dg a po fg a no p e n sa na p p l i c a t i o na r e a f o rd e v i c e st h e yc a no p e r a t ea te l e v a t e dt e m p e r a t u r e s i nt h i sp a p e r , am e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rh i g h e l e c t r o n - m o b i l i t yt r a n s i s t o r ( m o s h e m t ) 、衍t ha t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ( a l d ) 10 n ma 1 2 0 3g a t ed i e l e c t r i c i s m a n u f a c t u r e d n es u p e r i o r i t i e so ns a t u r a t i o nc u r r e n ta n dl e a k a g ec u r r e n to ft h en o v e l m o s h e m td e v i c e sa l ev e r i f i e dt h r o u g hr o o mt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sc o n t r a s to f t h em o s h e m ta n dt r a d i t i o n a lm e s h e m td e v i c e s t 1 1 i sp a p e ra l s oi l l u s t r a t e st h e s t a f f s t i c sa n a l y s i so ft h ed e v i c ef e a t u r ev a r i a t i o na t3 0 18 0 r a n g e w h i c hs h o w st h e d i s t i n c t i o no fd e g r a d a t i o nd e g r e eb yt e m p e r a t u r eb e t w e e nt h et w ok i n d so fd e v i c e s t h u s 。t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed e v i c es a t u r a t i o nc u r r e n t sa n dt h et r a n s c o n d u c t a n c e d e g r a d a t i o n s a l e m a i n l yc a u s e db yt r a n s p o r t c h a r a c t e r i s t i c d e g r a d a t i o n c a l lb e s u m m a r i z e d d e p e n d e n c eo fc a p a t i c a n c eo nt e m p e r a t u r es h o w sd i f f e r e n c ei nt h et w o k i n d so fd e v i c e s ，w h i c hi ss u p p o s e dt h a t ，t h en u m b e ro ft r a p si nt h es u r f a c eb e t w e e n a 1 2 0 3g a t ea n da i g a ni nt h em o ss t r u c t u r ei ss m a l l e rt h a nt h a ti nt h es c h o t t k yc o n t a c t i no r d e rt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z ea ni n f l u e n c eo ft r a p so np e r f o r m a n c eo fm e s h e m t a n dm o s h e m t ，t h ec u l w eo ft e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h et h r e s h o l dv o l t a g ei sf i t t e d a l lt h o s es t a t i s t i c sa n da n a l y s i sr e s u l t sw i t n e s s e st h es i g n i f i c a n tr o l ep l a y e db yt h e r e d u c e ds u r f a c es t a t ei nt h es u r f a c eo ft h ea l g a ni no p t i m i z i n gt h ec h a l a c t e r i s t i c so ft h e d e v i c e k e y w o r d s ：a i g a n g a nh e m t , a l d ，t r a p s ，t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文q t 特别加以标注 和敛谢t l - 所罗列的内容以外，论文q 1 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而i v e ) i j 过的材 料。与我- 同下作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文t l i 做了明确的说明 并农示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：帖日期二垃俨 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使j 日学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适刚本授权书。 笨嵩 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖下匕 1 1a 1 g a n g a nh e m t 研究进展 1 1 1g a n 材料在微波功率器件方面的优势 宽禁带半导体材料( 禁带宽度大于2 2e v ) 在光电子器件以及电子器件上的应 用已经超过了s i 基和g a a s 基器件。凭借大的禁带宽度和高的键合能，一v 族氮 化物适用于高频大功率领域，如无线通信的基站、雷达、汽车电子等：以其具有 出色的化学稳定性和热稳定性，适于制作耐高温和抗辐照的电子和光电子器件， 航空航天、核工业、军用电子等恶劣环境对这种器件都有着迫切的需求。所以继 第一代s i 半导体和第二代g a a s 、i n p 半导体之后，第三代半导体材料即宽禁带半 导体是目前半导体材料的研究热点。第三代半导体材料由于具有发光效率高、频 率高等特点，从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管以及高频领域都有很广泛的 应用。更为重要的是，这类直接带隙和宽禁带的半导体材料由于其电子在能带之 间的跃迁效率高，并且在跃迁时放出光子的能量高，因此会有较高的光发射效率， 光子发射的频率也较高。宽禁带材料中的电子不容易被电离，所以这类材料能承 受很高的电压和温度，它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和 速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频及大功率器件。下面按 禁带宽度增大的顺序列举几种宽禁带半导体材料：包括c d s ( 2 4 2e v ) 、s i c ( 2 8 6 e v ) 、z n o ( 3 3 2e v ) 、g a n ( 3 4 5e v ) 、z n s ( 3 6 8e v ) 、金刚石( 5 4 5e v ) 、a 1 n ( 6 2 0e v ) 等。高温高频大功率器件和短波长光电子器件等方面对半导体材料的要求引起了 宽禁带半导体的研究热潮，其中材料制备的成本和技术难度以及应用的广泛和重 要程度等决定了目前s i c 和g a n 的研究相对较为成熟。 表1 1 对比了这三代半导体中代表性材料的各种性能参数，其中j o h n s o n 品质 因数j m f f l l 和b a l i g a 品质因数b f o m 2 】是表征半导体材料高频大功率应用潜力的指 标： f2 ，2 j m f = 兰z 式( 1 - 1 ) 4 n b f o m = s 1 t 。e 8 2 式( 1 2 ) 式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 分别给出了两个参数的具体表达式。从表1 1 中可以看出：显 然g a n 材料优势显著。在表1 1 中这两个参数分别表示为对s i 归一化的数值。 2 a i g a n g a nm o s h e m t 器件特性研究 表1 1几种重要半导体材料的性能参数 1 1 2g a n 及其异质结材料的研究进展 g a n 晶体熔点高达2 3 0 0 0 c ，但其分解点在9 0 0o c 左右，所以用制备s i 材料的 标准方法并不适合用来生长g a n 单晶。二十世纪六十年代开始众多学者开始广泛 研究g a n 材料的制备，在尝试了利用n h 3 和热的g a 金属反应合成粉末1 3 j 或小单 晶 4 1 、反应溅射生长薄膜【5 1 、高压生长【6 】等技术后，第一个高质量的g a n 单晶薄膜 在1 9 6 9 年由m a r u s k a 等【7 】通过气相淀积( v p e ) 方法在蓝宝石上外延获得。由这个薄 膜第一次精确测得了g a n 材料为直接带隙半导体，禁带宽度为3 3 9e v ，预示了 g a n 在高效短波长光电器件方面的巨大潜力；但该薄膜并未掺杂，背景电子浓度 却高达1 0 1 9c m - 3 ，这也使人们充分的认识到降低g a n 薄膜背景电子浓度、实现p 型掺杂以获得p n 结的艰巨性。 随后气相淀积这一方法成为i i i 族氮化物材料制备的主流方法之一，g a n 材料 研究的先驱们围绕这种方法在选取合适的衬底材料及其晶向【引、以缓冲层减小衬底 和外延薄膜的晶格失配从而提高薄膜质量【9 】、气相淀积方法的不断改进以降低n 型 背景掺杂浓度【1 0 1 、实现有效的p 型掺杂【1 1 】等方面做出了不懈的努力，还探索了其 他制备高质量g a n 薄膜的方法，如分子束外延( m b e ) 【9 j 。在此过程中，研究人员 认识到在不同材料和晶向的衬底上可生长出纤维锌矿和闪锌矿两种结构的g a n 材 料【8 】【1 2 】，并对其化学、结构、电学和光学性质作了大量的实验表征和理论研究。 在1 9 9 1 年，终于由n a k a m u r a 等利用金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 法在 自主设计的生长系统中外延出高质量的g a n 材料l l3 1 ，并制造出世界上第一只p n 第一章绪论 3 结g a n 蓝光l e d l m 】。目前g a n 材料在生长上主要仍依靠薄膜外延，方法有h v p e 、 m o c v d 、m b e ，应用最广泛的衬底是蓝宝石和s i c ；在材料水平上已有很大的进 步。背景掺杂浓度可降低到实现绝缘性质【15 1 ，p 型材料的空穴浓度可达1 0 1 8c m 弓， 材料中的缺陷密度通过生长方法的改进，如外延横向过生长【1 6 j 或脉冲原子层外延 ( p u l s ea t o m i cl a y e re p i t a x y ) 技术旧而大大降低，载流子迁移率的测量值已接近理论 预测值【l 引。 推动g a n 材料水平进展的动力除了在光电器件方面的应用之外，还有在微波 功率器件方面的应用，在这方面g a n 材料主要以a 1 g a n g a n 异质结的形式用于 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 中，所以材料水平主要以其中二维电子气( 2 d e g ) 的电 导特性来衡量。1 9 9 2 年k h a n 掣1 9 】基于蓝宝石衬底制备了第一个a 1 0 1 3 g a o 8 7 n ( 1 0 0 n m ) g a n 异质结，并利用s h u b n i k o v - d eh a a s ( s d h ) m 子霍尔效应证实了a i g a n g a n 界面2 d e g 的存在，其面电子密度为l x l 0 1 1c n l - 2 ，室温下迁移率为8 4 3e m 2 v 以s - 1 ， 7 7k 时迁移率为2 6 2 6c m 2 v 以s 。随着材料生长水平的提高和异质结结构参数的优 化，目前a 1 g a n g a n 异质结的结构参数和相应的性能已基本稳定。通常势垒层的 砧含量为0 - 2 o 3 左右，厚度为2 0 3 0h a l 左右。蓝宝石衬底上a 1 g a n g a n 单异 质结2 d e g 的室温迁移率通常在8 0 0 1 5 0 0c m 2 v 。1 s 1 之间，低温迁移率则在1 9 9 9 年由一个m b e 生长的非人为掺杂a i o 0 9 g a o 9 1 n ( 1 6 n m ) g a n 样品创造了1 3k 达 517 0 0c m 2 v 。1 s j 的记录【2 0 】。在与g a n 晶格失配较小的s i c 衬底上外延a 1 g a n g a n 异质结，由于缺陷密度降低，材料水平通常会更高一些，目前2 d e g 的室温迁移 率通常在1 0 0 0 2 0 0 0e m 2 v 0s 1 之间，低温迁移率则有4 2k 时高达1 1 0 0 0e m 2 v 。1 s q 的报告【2 1 1 。 1 1 3g a n 基h e m t 器件的研究进展 在1 9 9 2 年制备成功具有2 d e g 的g a n 基异质结后，1 9 9 3 年第一只g a n 基h e m t 问世。随后在a 1 g a n g a n 单异质结的生长工艺和机理研究不断进展的同时， a i g a n g a nh e m t 作为g a n 基h e m t 的主要结构，器件性能也一直在不同提高。 在1 9 9 3 n 上个世纪末，a 1 g a n g a nh e m t 主要是由其异质结性能的提高，器 件工艺技术的改进和和热处理等推动发展的。a i g a n g a n 异质结的制备、表征， 其2 d e g 性能的优化和机理研究等在上一节已概述，而g a n 基h e m t 的主要工艺如 台面刻蚀、肖特基接触和欧姆接触在此期间也逐步演变而基本成熟。图1 1 显示了 欧姆接触所采用的金属材料的演进。 4 a i g a n g a nm o s h e m t 器件特性研究 基本原则：采用功函数低的金属 欧姆接触方案( 对n 型g a n ) a l 呦衄墨墨嚏霉 天然的欧姆接触材料，但接触电阻较大( l 矿d e m ) 网 妙t i a ! 圈面墨墨踟，形成半金属t 讯，以及大量起n 型掺杂作用的n 空位，接触 翮 电阻减到9 1 0 - 6 0 c m 2 但可靠性差，在空气中容易氧化 妒 a u 起保护作用，但a u 在退火中向下渗和g a n 反应使接触 t i a a u 固盈蕊雹雹墨墨畛 性质退化 旦 t i a i x x a u ，时 加入?势垒层阻挡au向下和gan反应接触电阻减到-2 x x ：n i , it , t i , m o 9 x 1 0 - 暑d c m 一 图1 1a i g a n g a nh e m t 欧姆接触所采用的金属材料的演进。 2 0 0 0 年以后至今，a i g a n g a n 异质结材料的性能已基本稳定，a 1 g a n g a n h e m t 主要靠器件工艺水平的提高和器件结构的改进等手段来提高其性能。表1 2 从器件制作和表征研究以及性能提高的角度给出了a 1 g a n g a nh e m t 演化的一个 时间表【2 2 1 。 表1 2a i g a n g a nh e m t 的演化 投稿时间，研材料水平( 异质结结器件结构和工艺室温测量性能 究机构或小 构从上向下描述)( 电极组成由下向 组， 意义上描述) 1 9 9 3 ，3 ，k h a n蓝宝石衬底， 源漏：仉，a u ，最大输出电流密度 等m o c v d ， 1 0 0n m栅：t i w i d s 慨5 5m a m m ， 第一个g a n 基m o d 栅长l g = 4 岬， 最大跨导瓯，麟为2 8 h e m t 样管 a l o 4 g a o 8 6 n 0 6i m a栅宽= 5 0p m ， m s m m 。1 n g a n ， 背景载流源漏间距k = 1 0 子浓度甩堙1 0 1 7i x r n c m o ，室温2 d e g 密 度= 1 1 5 x 1 0 c m 宅，迁移率= 5 6 3c m 2 v - i s 。l 第一章绪论 5 1 9 9 4 ，1 0 ，k h a n蓝宝石衬底，源漏：t i ，a u ， 室温下截止频率石= 2 2 等 m o c v d ，3 0n n l栅：t i w 栅长三2g h z ， 最大振荡频率 短栅长器件， a l o 1 4 g a o s 6 n n - g a n= 0 2 3 岬，栅宽= 7 0g h z ，2 0 0 d c 和微波特 ，n t , g - - 1 0 1 7e m - 3 睨= 1 0 0p a n ，源以上出现温度激活的 性的室温3 0 0 漏间距耐= 1 7 5旁路电导，来自g a n 测量 岬，源漏接触电 缓冲层缺陷辅助电导 阻b ，如 2 8 q m m 1 9 9 6 ，3 ，u c s b蓝宝石衬底，源漏：t i a 1 ， i d s l 瓜1 7 0m a m m ， 第一次微波功m o c v d ， 3 0 n m栅：a u ：1 2 0 m s m m ，石 率测量。基于m o da 1 0 1 5 g a o s s n l 9 2 1l a i n ，耐= 4 一6g h z ，1 5 材料水平提o 3 岬n - g a n ， p a n ，栅漏间距 g h z ，最大输出功率 高、欧姆接触g a n 和衬底之间没 l g d2 2g r n ，密度= 1 1 改善、击穿电 有缓冲层，豫 = 5 0 0l a i nw m m 1 ，功率附加效 压增大而实4 1 0 1 0c m o ，g a n率p a e = 1 8 6 现，促进了高层较薄以避免平行( 2 g h z ，连续波，l o s 阻g a n 底板生电导 = 2 6v ) 长以及热处理 自热效应很明显 的研究 1 9 9 7 ，7 ，蓝宝石衬底， 源漏 ： i d 娶懈10 5 0m a x n l n l ， u c s bm o c v d ， 2 0t i a l n i a u：2 2 0m s m m ， 高a l 含量n m m o d a l o 5 g a o s n |栅：n i a u ，只加蛾= 2 5 7w m m ， a l g a n g a n2g r ni - g a n 2 0n l n l 西式71 u n ，p a e = 2 1 ( 1 0 g h z ， h e m t 的成功g a n 成核层， _ 2 5l a i n ， 连续波，v d s = 2 5v ) ， 尝试，为 2 d e gn s = 1 2 x 1 0 1 j r s ，r d i f 2 - m m膝点电压较高( 6 v ) a l g a n 层a lc m 吐，一1 0 0 0 含量和厚度最 e m 2 v - i $ l 优化提供依据 1 9 9 7 ，1 2 ，蓝宝石衬底，源漏 ： 经过扣焊后，k u c s bm o c v d ，4 0n n lt i a l n i a u和都上升4 0 ， 将h e m t 器件 a i g a n 2 5m ns i 栅：n i a u达到1 6 0 0m a m l n 1 和 扣焊在a l n 基g a n ，2 d e gn s =l g21 岫，妇22 8 0m s m m l 片上，改善热 1 4 x 1 0 1 jc m 。二，“= 1 5 岬，25 0 处理 5 6 3c m 2 v 叫s 1 l , t m 1 9 9 8 ，6 ，蓝宝石衬底，源漏：t i a ui d s 懈4 0 0 m a m m ， 德国u l m 大学m o v p e ，栅：p t a up d o 黼= 1 2 5w m m q g a nh e m t 高 5 0 n m a l o 1 5 g a o s s n 52 2 0 0l , t m ( o 8 5 g h z ，连续波) ， 温特性( 7 5 0 。c ) 0 n m 的s i 掺杂g a n真空下室温到7 5 0 ， 的评估沟道( 5 1 0 1 7g a n 缓冲层和栅接触 c m 一) 2 0l a r n 性质可恢复：由输出和 s i g a n夹断特性，异质结有源 区在6 0 0 以上的退化 不可恢复 6 a i g a n g a nm o s h e m t 器件特性研究 1 9 9 9 ，4 ，蓝宝石衬底，源漏 ：p d o 懈= 4 6w m m 一 u c s bm o c v d，t i a l n i a up a e = 4 0 ( 6g h z ， a 1 g a n 层a l18 n m a l o 3 5 g a o 6 5 n 3栅：n i a u ，连续波，v d s = 2 6 v ) 含量高而且厚l t m s l g a n ，2 d e g 刀， k o 7 岬 度也较合适的 = 1 4 x1 0 1 c m ，u h e m t 器件 = 12 5 0c m z v 。1 s 1 1 9 9 9 ，1 2 ， s i s i c衬底， 源漏 ： 易踟甜1 3 2 0 m a m m ， u c s bm o c v d，t i a l n i a u g 懒：2 3 0m s m m ， 在s i c 衬底上 m o d a i o 3 g a o 7 n 3 1 x栅：n i a u ，l g =p d o 懈= 9 0 9 4 制作器件，提ms i g a n 0 5 0 6 i x m ， w m m 一，剧e = 4 7 高材料质量， w g25 0 。1 5 0 ( 8 2g h z ，连续波， 并改善散热条p a nv d s = 3 0 v ) 件，同时也利 用了高a l 含量 a 1 g a n 层 2 0 0 0 ，4 ，蓝宝石衬底， 槽栅用b c l 3 等离：1 4 6 m s m m ， 名古屋理工大m o c v d ，子体r i e 刻蚀， r s ：6 1 q i t i n l ，相应的 学 3 0 n m a l o 2 6 g a o 7 4 n 2 槽深3 0n n l ，槽平面器件性能为 一个槽栅工艺5 1 x r n s i g a n， 宽6l a i n ，栅在瓯删：9 3m s m m 一，r s ： 较好的h e m ta 1 g a n 上有2 0 r i m槽中间l g = 2 12 0q i i l l n ，槽栅器件在 例子，器件的的n + g a n ，栅下n +l a m ，w g31 53 5 0 老化5 0 0h 后性 可靠性和温度g a n 被刻蚀掉， l x m ，源漏：t i a l ，质仍稳定 稳定性都很好 2 d e gn s = 2 6 x 1 0 ”栅：p t 爪a u 1 c m 2 0 0 0 ，1 2 ，s i c 衬底，m o c v d l g 20 5 0 6 r 拗斌= 6 4 w m m 1 ， u c s b 叫m ，输出功率= 5 1w 利用单胞器件耽= 8m m ，扣( 6g h z ，脉冲，= 。 实现的扣焊i c焊 3 9v ) 大功率放大器 2 0 0 2 ，c o m e l ls i s i c 衬底， l 9 2 0 3p m ，w gk 1 2 0 0 m a m m 1 ， 大学 2 d e g n s = 1 0 0 l a m ，删= 1 1 7w m m ， 2 0 0 2 年连续波 = 1 2 x1 0 1 3 c m - 2 源漏：t i a i t i a up a e = 4 3 ( 1 0g h z ， p d 伽戕最高记 ，蘑菇栅，连续波，= 3 5v ) 录s i 3 n 4 钝化 2 0 0 3 ，1 0 ，s i c 衬底， l 。= 0 5 5l x m ， 一= 3 2 2w m m 。1 ( 4 e u c s b2 9 n m a 1 0 2 2w 9 2 2 x1 2 3 p m ，g h z ，连续波，v o s = 钝化，采用g a o7 8 n 1 n m栅场板伸出栅 1 2 0v ) a 1 g a n 怂| s i g a n 的漏侧的距离l f a i n g a n 结构= 1 1 心【1 1 以改善2 d e g 性能，给栅加 场板并优化， 2 0 0 4 年报告的 连续波p d o m 舣 最高记录 第一章绪论 7 2 0 0 4 ，4 ， 日本f e d 协会 槽栅、栅场板、 钝化、s i c 衬 底、4 8 m m 栅 宽的结合， 2 0 0 4 年报告的 连续波，最 高记录 s i c 衬底，未掺杂 a l g a n g a n ， m o c v d 源漏：t i a l m o a u ，栅：n v a u ，栅 槽用b c l 3 等离子 体刻蚀，深2 1 n l l l ， k = 1 0 g r n ，s i n 钝化， a u 板空气桥用于 多栅指连接， 衬底减薄n 5 0 1 1 背电极t i 】p t a u 瓯脚：2 7 0 m s m m 。1 ( 平 面器件15 0 m s m m 叫) ， 槽栅和场板削弱了电 流崩塌，p 鲫f = 2 3 0 w ，= 4 8 w m m - 1 ( 2g h z ，连续 波， v o s = 5 3v ) u c s b 指加州大学圣芭芭拉分校 f e d 是f u t u r ee l e c 仃o nd e v i c e s 的缩写 1 2a 1 g a n g a nm i s h e m t 研究进展 1 2 1a 1 g a n g a nm i s h e m t 研究的意义 尽管h e m t 器件的器件物理在g a a s 基h e m t 中已得到相当完善的分析，但 g a n 基h e m t 器件仍有大量物理机制需要深入研究的现象和问题，最显著的莫过 于从g a n 基h e m t 器件诞生就一直伴随的电流崩塌现象。 这种现象最主要的表现为器件在高频大信号驱动下，输出电流摆幅剧减，导 致输出功率密度和功率附加效率减小。相关的表现形式则是多种多样，可以归结 为电流的不稳定性。d c 测量时，器件经过较高电压冲击后，最大l o s 减小，膝点 电压上升团】。器件跨导漏极电导在不同频率下出现分散现象。对器件施加高漏压 或强反偏栅压应力，则应力中漏极电流( 若沟道开启) 不断下降，应力后器件的d c 和r f 性能大幅退化【2 5 】。若应力时间较短，则经过一段时间后器件性能尚可恢复， 若应力时间较长则无法恢复。在漏极( 栅极) 施加电压变化幅度大的脉冲信号，另外 两个电极保持恒定电压，则漏极电流响应会小于脉冲信号前测量的电流值，出现 漏( 栅) 延迟现象【26 。光照能加快电流崩塌的恢复，或抑制电流崩塌【2 1 。 从不同应力条件下电流崩塌的程度【2 4 j 以及不同光照位置下电流崩塌的恢复程 度幽j 对比中，可观察到栅漏间高电场是a 1 g a n g a nh f e t 性能退化的主要因素， 且电流崩塌的各种瞬态现象与器件的表面有密切的关系。在具有上下两层沟道的 a 1 g a n g a nh e m t 中，上方的沟道工作时电流崩塌较严重，下方的沟道则几乎没 有崩塌现象【2 卅；表面暴露在空气中的器件经历较长时间后，不论有没有经历高电 场冲击，器件性能都会不同程度的下降；对器件表面淀积钝化保护膜则能有效地 削弱电流崩塌，且增强器件长期工作的稳定性1 3 。 对于电流崩塌现象物理机制的解释，比较成功的是虚栅模型。假设表面态具 8 a i g a n g a nm o s h e m t 器件特性研究 有陷阱作用，能俘获电子形成虚栅，引起对沟道层的进一步耗尽，从而控制沟道 电流。由于这些表面态的充放电需要时间，在d c 或应力条件下会造成瞬态，在 r f 条件下电流的变化赶不上r f 信号的频率，使器件输出功率密度和功率附加效 率减小，形成崩塌。可以起虚栅作用的陷阱不一定是表面态，还可以是势垒层深 能级，或缓冲层陷阱等【3 。但由于电流崩塌与器件表面状态的强相关性，表面陷 阱是虚栅模型最可能的一种情况。虚栅模型能够定性的解释电流崩塌的机理，但 仍有一些待解决的问题，如虚栅所俘获的电子的来源，俘获量的大小与栅漏间电 场如何挂钩，以及钝化抑制电流崩塌的机理等。 另外，泄漏电流关系到器件的低频噪声，栅反向击穿电压决定着器件的工作 电压和功率容限。在这些特性上，传统h e m t 器件都有一定的劣势。 在传统工艺和结构无法解决m e s h e m t 器件的上述限制的情况下，对新型的 器件和结构的研究就显得十分迫切。 e r e n 等人在1 9 9 8 年的报道中指出g a nm o s f e t 结构器件可以降低栅泄漏电 流。s i 工艺技术中，m o s 结构器件在大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路 ( v l s i ) 中被广泛应用，现今的l s i ，v l s i 数字电路几乎完全使用n 沟道m o s f e t 器件和c m o s 器件。m o s 结构是几种关键集成电路的基本模块，包括m o s f e t ， i g f e t ，c c d 等。 a 1 g a n g a nm o s h e m t 器件旨在解决h f e t 器件中高的栅泄漏电流和低的 饱和漏电流，而且可以减少界面陷阱电荷从而对电流崩塌现象有很好的抑制，同 时能够提高器件的栅击穿电压。a 1 g a n g a n 异质结的应用通过高密度二维电子气 产生强的理化杂质散射和其他散射中心大大提高了材料的质量，也改善了g a n m o s f e t 器件饱和电流和跨导很难提高的缺点，因此新型m o s h e m t 器件的研 究就显得格外重要。 表1 2 给出了m e s f e t 、h m e t 、m o s h f e t 的特点和性能比较【3 2 】： 表1 2 几类常见的g a n 基器件特点和性能比较 器件m e s f e th m e tm o s h f e t n g a n 沟道a l g a n g a n 沟道a i g a n g a n 沟道 结构 金属栅a 1 g a n 势垒层上做栅绝缘层上做栅 电子速度高栅泄漏电流小 优点结构简单 电流大栅开启电压高 电子速度低栅泄漏电流严重由于栅介质的引入需要 缺点 电流小电流崩塌现象增加额外的电压补偿 第一章绪论 9 a i g a n g a nh e m t 器件由于具有禁带宽度大( 3 4 6 2 e v ) 、电子饱和速度高 ( 2 8 x 1 0 7c m s ) 和击穿场强大( 5 m v e m ) 等优点，非常适合于高频、大功率与高温 应用。然而a 1 g a n g a n 表面缺陷和有限的势垒高度所导致的栅泄露电流进一步限 制了a i g a n g a nh e m t 器件的高频、大功率与高温可靠性。为解决这一问题，可 以使用金属绝缘层一半导体( m i s ) 或金属氧化物半导体( m o s ) 【3 3 】结构来抑制栅泄 露电流，然而这些绝缘栅器件与传统的a 1 g a n g a nh e m t 器件相比在饱和电流、 跨导和开启电压方面无任何优势。近来，使用s i 0 2 ，s i 3 n 4 ，a 1 2 0 3 刚和其他介质 作为栅绝缘层的金属一绝缘层半导体高电子迁移率晶体管( m i s i - m m t ) 或金属氧 化物半导体高电子迁移率晶体管( m o s h e m t ) 取得了很大进展。 当前，能够有效地减小崩塌的方法主要有两种：器件表面钝化法和加帽层的 方法。其中，器件表面钝化的方法比较常用。图1 4 给出了h e m t 器件表面的钝 化结构示意图。 钝化方法是在器件电极完成以后进行的钝化，这虽然可以减小r f 电流崩塌效 应，但对器件的栅极电流泄漏问题却没有多少贡献，最近有不少研究者结合钝化 作用，并进一步改进器件结构设计和制作工艺，取得了很多突破性的进展。栅极 的m o s 或m i s 结构一钝化介质同时作为栅极接触介质，综合了钝化和m o s 、m i s 结构的优点，不仅可以减小电流崩塌效应，而且可以提高器件的击穿电压解决栅 极电流泄漏的问题。 钝化层 图1 4h e m t 器件钝化示意图 1 0a i g a n g a nm o s h e m t 器件特性研究 1 2 2 原子层淀积( a l d ) 方法的优点 为了解决由于s i 0 2 ，s i 3 n 4 比较小的介电常数，s i 0 2 a i g a n ，s i 3 n a a i g a n 之 间大的界面态密度，a i g a n g a nm o s h e m t 和m i s h e m t 器件的跨导和开启电 压仍无法与传统的a i g a n g a nh e m t 器件相比的特点，必须寻找新的高k 材料来 制备更高质量的栅氧化层。a 1 2 0 3 ，h f 0 2 ，g a 2 0 3 ，m g o 等介质近几年来被广泛研 究，尤其是a 1 2 0 3 由于和a i g a n 层有相同的元素组分而导致的低的界面态而体现 出来的巨大优势。高k 材料可以在相对薄的栅氧化层厚度前提下产生较大的栅氧 化层电容，因此实际制备过程中的厚度控制和表面质量尤其重要，传统的淀积工 艺难于满足薄层介质制各的要求。 原子层淀积( a l d ) 【3 5 】是一种可以在原子尺度进行薄膜厚度精确控制的淀积方 法，它通过表面可控的饱和化学反应来实现原子的逐层淀积，原子层淀积具有很 好的三维保形性，1 0 0 台阶覆盖，良好的厚度均匀性，大面积淀积下薄膜无针孔， 低缺陷密度，很好的粘附性，低应力，对衬底无损伤，生产效率高，低成本等优 点，其薄膜质量远高于溅射，和电子束蒸发所获得的a 1 2 0 3 。且原子层淀积a 1 2 0 3 能够与a i g a n 形成高质量的a 1 2 0 3 a 1 g a n 界面，a 1 2 0 3 还具有大禁带宽度( 9e v ) ， 高介电常数( r - 1 0 ) ，高击穿电场( 5 i o m v c m ) ，很好的热稳定性( 在1 0 0 0o c 高温下 仍保持无定型) ，与a 1 g a n 之间有很好的化学稳定性( 相互之间无扩散) 的优点。 1 3 本文的结构和主要研究内容 本论文是在国家重大基础研究( 9 7 3 ) 计划项目“第三代( 宽禁带) 半导体军用电子 材料和器件基础研究”、重点实验室基金项目“g a n a i g a nh f e t 结构材料生长技 术研究”、自然科学基金项目等支持下，对a 1 g a n g a nh e m t 器件的生长进行了 较为深入的实验研究。作者参与了研制以及研究宽禁带半导体材料与器件，并主 要负责对新型半导体器件a 1 g a n g a nm o s h e m t 的特性分析工作，分析器件特 性优势以及变温特性退化的主要原因。 论文的章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了国内外对g a n 器件研究成果与现状。主要介绍了制备 新型m i s 结构h e m t 器件的意义以及栅介质的制备工艺。 第二章介绍了m o s h e m t 器件的制备工艺，制备了1 0 n m 厚度a 1 2 0 3 栅氧化 层介质的m o s h e m t 器件，着重研究了器件的制备具体工艺。 第三章结合器件的特性参数，通过实验研究了新型m o s a 1 g a n g a nh e m t 器件在室温下的特性曲线，并与传统的m e s h e m t 器件做了对比，确定了新型 第一章绪论 m o s 结构器件的优势。 第四章结合实验室现有条件，对新旧两种器件对了变温特性测试，分析了变 温c v 特性和阈值电压v t 随温度的变化规律，定性假设了a 1 2 0 3 与a 1 g a n 之间 良好的接触性能，通过曲线拟合的方式定量得到证明。从实验和机理上证