（电子科学与技术专业论文）增强型gan高电子迁移率晶体管的研究.pdf

分类号 密级 udc 学 位 论 文 增强型增强型 gangan 高电子迁移率晶体管的研究高电子迁移率晶体管的研究 （题名和副题名） 谢圣银谢圣银 （作者姓名） 指导教师姓名 周周 伟伟 副教授副教授 电子科技大学电子科技大学 成都成都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请学位级别 硕士硕士 专业名称 电子科学与技术电子科学与技术 论文提交日期 2010.4 论文答辩日期 2010.5 学位授予单位和日期 电子科技大学电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2010年 月 日 注 1 注明国际十进分类法 udc的类号 摘 要 i 摘 要 基于 gan 材料大禁带宽度，高热导率和高饱和迁移率速度等优点构成的 algan/gan hemt 器件证实在微波大功率领域有极大的应用前景，但是影响其性 能的一些缺陷态等因素目前还不是很明确， 其可靠性还一直没有解决。 常规的 gan hemt 器件均为耗尽型，在射频及微波芯片设计时，其负栅压的电源设计增加了 设计成本，同时在数字电路应用中，能够与耗尽型 gan hemt 器件相耦合的增强 型器件越来越受人们关注，增强型 gan hemt 近来已成为研究的热点。 本文通过变频电容-电压法对 algan/gan 异质结进行了缺陷态测试分析， 证实 了导致 c-v 曲线在夹断区发生高低频之间离散的主要原因是 algan 及 gan 体材 料中的族空位等缺陷，同时采用氟离子处理的方法对结论进行了验证。并研究 了氟基等离子体处理方法对 algan/gan 异质结材料特性及器件性能的影响，发现 氟基等离子体在改变异质结夹断电压的同时对沟道的 2deg 浓度及迁移率基本没 有影响。 在 gan hemt 器件流片中采用氟基等离子体处理技术实现了可调阈值电压的 gan hemt 器件，并最终得到增强型的 gan hemt，在 4v 栅压下饱和电流 650ma/mm， 夹断电压 0.35v， 1um 栅长下 ft与 fmax分别达到 10.3ghz 与 12.5ghz， 与常规耗尽型 gan hemt 相比，器件性能没有出现衰退。同时，为提高增强型 gan hemt 器件的频率特性，在半绝缘 sic 衬底上采用 0.35um 的栅长再次流片， 获得了 ft 40ghz 与 fmax超过 90ghz 的结果，在 18ghz 的测试条件下，常温最大 连续波输出功率达到 3.65w/mm， 最大附加效率 42%。 本论文还对氟离子影响阈值 电压的机理进行了仿真研究，结果证实氟离子在 algan 势垒层中起类似于受主缺 陷的作用，同时提高了肖特基接触的势垒高度，从而对阈值电压进行调控。 关键词关键词：algan/gan hemt，电容-电压法，氟基等离子处理，增强型 gan hemt， 截止频率，功率输出 abstract ii abstract algan/gan high electron mobility transistors (hemts) show a high prospective in microwave and power amplification with high bandgap, thermal conductivity and saturation mobility, while the reliability is up in the air and some trap mechanism is unclear until now. at the same time, in many applications, however, the employment of enhancement-mode (e-mode) gan hemts is highly desirable for the simple single-polarity voltage supply and digital ic operation. in this thesis, trap behaviors in algan/gan heterostructures were characterized by the means of capacitance-voltage (c-v) technique for samples grown on sapphire and sic substrates. fluorine plasma treatment was carried out with appropriate time and power for further identification. the vga-related defects in (al)gan bulk layers were responsible for the frequency-dependent capacitance dispersion in pinch-off region, while the surface status influenced the capacitance dispersion in pinch-on region directly. according to the flexible fluorine plasma treatment, gan hemts are prepared with different threshold voltage and enhancement-mode gan hemt devices are realized with threshold voltage of 0.35v. and the enhancement-mode device exhibits a maximum output current (id,max) of 650ma/mm with vgs=4v. the current-gain cut-off frequency (ft) and maximum oscillation frequency (fmax) shows any regression after treatment as about 10.3ghz and 12.5ghz. and then e-mode gan hemts with a gate length of 0.35 m are fabricated on s-i-sic substrate. a ft of 40 ghz and fmax of 91 ghz are achieved. at 18 ghz, the fabricated enhancement-mode device exhibits a maximum continuewave output power density of 3.65 w/mm and a maximum pae 42%. a device simulation is also carried out with fluorine treated as acceptorlike trap level and also increased the schottky barrier, which is taken as a simple explanation for the threshold voltage affected by fluorine plasma treatment. key words：algan/gan hemt, capacitance-voltage, fluorine plasma treatment, enhancement-mode gan hemt, cut-off frequency, power output 目 录 iii 目目 录录 第一章第一章 引言引言 . 1 1.1 gan hemt 器件的研究现状 . 1 1.2 gan 的材料优点及 hemt 器件的工作原理 . 4 1.3 表征 hemt 器件的基本参数 . 6 1.4 本论文的研究目的 . 10 第二章第二章 电容电压法分析电容电压法分析 algan/gan algan/gan 异质结构缺陷态异质结构缺陷态 . 12 2.1 电容电压法的测试原理 . 12 2.2 电容电压法分析二维电子气密度 . 14 2.3 变频电容电压法缺陷态分析 . 17 2.4 小结 . 22 第三章第三章 algan/gan algan/gan 异质结构的氟基等离子体处理异质结构的氟基等离子体处理 . 23 3.1 氟基等离子体辐照对材料的影响 . 23 3.1.1 对夹断电压的影响 . 24 3.1.2 对沟道 2deg 浓度的影响 . 25 3.1.3 对沟道 2deg 迁移率的影响 . 26 3.2 氟基等离子辐照对器件性能的分析 . 26 3.2.1 氟基等离子体处理 gan hemt 器件工艺流程 . 27 3.2.2 hemt 器件的直流输出测试 . 29 3.2.3 电流崩塌测试 . 34 3.2.4 射频小信号测试 . 37 3.2.5 load-pull 大信号测试 . 40 3.3 小结 . 41 第四章第四章 氟基等离子体对阈值电压影响的器件模拟氟基等离子体对阈值电压影响的器件模拟 . 43 目录 iv 4.1 氟离子的作用机理 . 43 4.2 仿真结果 . 47 4.3 小结 . 49 第五章第五章 总结及展望总结及展望 . 50 致致 谢谢 . 51 参考文献参考文献 . 52 攻读硕士期间取得攻读硕士期间取得的研究成果的研究成果 . 55 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 gan hemt 器件的研究现状 基于 algan/gan 的高电子迁移率晶体管（hemt）因为在高压大功率等方面 的优势,被大量应用在射频微波以及功率开关等领域， 同时由于其耐高温耐高压的 特性，使得 gan hemts 器件受到人们的广泛关注并得到了长足的发展。已经证 明，gan hemt 器件比 gaas phemt 器件在相同的频率下功率处理能力要高出 一个数量级。据法国市场研究顾问机构 yole developpement 分析，2007 年氮化镓 射频器件市场的规模达到了 1700 万美元，其中，研发占 65%，国防和卫星应用 占17%， 3g基站以及lte/wimax应用分别占16%和2%。 随着gan在lte/wimax 应用中的强劲渗透， yole 预测 gan rf 晶体管市场在 2010 年将增长至大约 1 亿美 元。这意味着 80%的平均年增长率。yole 预测，在 2012 年 gan 市场将显示研发 部分的比例将跌落至 6%，国防和卫星应用、3g 基站以及 lte/wimax 应用的市 场占有率分别为 27%、31%和 31%，广播市场的占有率为 4%。回顾以往可见， 基于硅的 ldmos 器件占据了 2ghz 以及更高频率范围的高功率射频放大应用市 场的 90%， 剩余的市场由 gaas phemt 技术占据， 然而更高频率与更大的功率处 理范围内是这些器件所不能胜任的。军事应用首先采用宽带隙器件，特别是采用 由美国darpa以及dod资助下开发的sic(碳化硅)mesfet器件以及gan hfet 器件。在 2006 年，位于日本横滨的 eudyna devices 公司宣布携手日本电信以及 电话公司在东京首次部署了针对测试用途的、采用 gan hemt 的 3g 网络。由 cree，rfmd 和 nitronex 公司提供的商用产品随后跟进，瞄准 3g 和 wimax 基站 以及通信应用。2009 年 11 月 rf micro device 宣布收到来自一家一级无线基站 原始设备制造商 (oem) 的首张采用 gan 工艺技术的订单。 目前很大一部分研究还都只是针对于耗尽型的 gan hemts 器件，由于 algan/gan 异质结界面处存在大量的自发与压电极化产生电荷， 使得增强型 gan hemts 器件的研究一直进展缓慢。所谓耗尽型的（d-mode）gan hemts 器件 是指器件的阈值电压为负值，即栅上接足够大的负偏压时, algan/gan 异质结界 面处的沟道二维电子气（2deg）处于耗尽状态，器件才能被关断。传统的耗尽 型 gan hemts 因为要使用负的开启电压，这在射频微波应用中，使电路结构显 电子科技大学硕士学位论文 2 得复杂化。因此有必要开展增强型 gan hemts 器件的研究，即让器件的阈值电 压变为正值，实际应用中只需要加一个正的偏压即可以使其工作或夹断。这样可 以消除负偏压的电路设计，使得电路简单化，减少了电路设计的复杂性和制备的 成本，对于大规模微波射频电路应用来说，其意义十分重大。同时在数字电路中， 增强型(e-mode）和耗尽型（d-mode）gan hemt 相结合，可以集成为直接耦合 型场效应晶体管逻辑（dcfl）电路1，这些单片集成的增强/耗尽型（e/d mode） gan hemts 逻辑单元也可以用在混和信号电路和直流-直流（dc-dc）转换电路 上，在反相器、环形振荡器的设计中，增强型与耗尽型 gan hemts 的结合使用 使电路设计更加简单2。 在 algan/gan 异质结中，由自发极化和压电极化产生的高浓度的 2deg 使 传统的 algan/gan hemt 器件的阈值电压在-4v 左右。 通常， 阈值电压的调控是 通过 al 组分的变化、势垒层的厚度等参数进行调节。但是，在器件制备过程中， 采用适当的方法能够对阈值电压进行调控将会更加灵活的进行器件以及电路的设 计及应用。如果阈值电压能够调控到 0v 以上开启，则可以实现增强型的器件功 能，免除负电压的设计，以及实现 gan hemt 器件在数字电路中的应用。 最初实现增强型 gan hemt 的方法是借鉴 gaas 的工艺而来， 通过在栅下刻 槽，减薄势垒层的厚度而调控阈值电压的变化。基本的结构如图 1-1 所示。这种 工艺方法对 gaas，inp 等可以进行高选择性的湿法刻蚀的材料体系来说是常用的 手段，但是对于 gan 而言，目前还没有好的选择比较高的湿法腐蚀方法。干法腐 蚀也是一种可以实现的方法，但是采用干法刻蚀对 algan 势垒层及材料表面又 会产生很多的损伤和缺陷，严重影响了器件的性能，所以干法刻蚀实现增强型 gan hemt 器件的方法也一直没有得到实质性的发展。 algan gan gds 图 1- 1 gan hemt 的槽栅结构 第一章 引言 3 1996 年 1 月，asif khan 等人报道了第一个增强型（e-mode）gan hemt， 阈值电压为 0.05v,最大饱和电流 30ma/mm3； 2004 年， endoh 等用 10nm 的 algan 盖帽层， 得到了栅长 120nm 的无刻槽 e-mode， vt 为 0v， 电流截止频率为 58ghz， 增益截止频率为 108ghz，vgs 为 2v 时饱和漏电流为 550ma/mm 4。2005 年 3 月，lanford 等人用栅下刻槽的方法，得到了阈值电压 0.47v,最大饱和电流 455ma/mm 的器件，所采用的栅长为 1um，电流截止频率为 10ghz5； 2005 年 9 月，micovic 结合栅下刻槽和 n+盖帽层的方法得到了跨导 400ms/mm,最大饱和 电流 900ma/mm 的器件6。2006 年 3 月，t. palacios 等人结合栅下刻槽和氟基等 离子处理栅下区域的方法得到了跨导 400ms/mm，阈值电压 0.1v，输出饱和电流 1.2a/mm，电流截止频率 85ghz，增益截止频率 150ghz7。 国内开展相关研究比较缓慢，只有香港科技大学采用氟离子处理实现增强型 gan hemt 器件的方法取得了比较大的进展，并成为近年来实现增强型 gan hemt 器件的热门。2005 年 7 月，cai 等人用氟基等离子辐照处理栅下区域，淀 积栅电极后再进行快速热退火的方法，并采用 1um 的栅长，得到了阈值电压为 0.9v，饱和漏电流为 310ma/mm, gm=148ms/mm 的增强型器件8。具体的实现方 法是在在器件制备过程中，采用氟基等离子体对栅下区域进行处理，如图 1-2 所 示，在 algan 势垒层中注入具有强负电性的氟离子，在能带上相当于增加了一 个势垒高度，拉升了势阱，使沟道电荷在常规情况下处于耗尽状态而实现常关的 gan hemt 器件9。 图 1- 2 耗尽型与增强型 gan hemt 的器件结构及能带示意图9 电子科技大学硕士学位论文 4 1.2 gan 的材料优点及 hemt 器件的工作原理 gan 材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子 器件、光电子器件的新型半导体材料，并与 sic、金刚石等半导体材料一起，被 誉为是继第一代 ge、si 半导体材料、第二代 gaas、inp 化合物半导体材料之后 的第三代半导体材料。它具有宽的直接带隙、强的原子键能、高的热导率、化学 稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件 应用方面有着广阔的前景。 表 1-1 gan 材料与其它半导体材料的性能对比 material thermal expansion coeff. 106/k tm egev tw/cm k cm2/vs ec106v/c m vsat107c m/s si 2.56 1415 1.12 1.57 1350 0.3 1.0 4h-sic a:3.08 2830 3.3 5 900 .2.2 2.7 6h-sic a:4.2 2830 3.0 5 370 2.4 2.0 gaas 6.8 1238 1.43 0.54 8500 0.4 2.0 gan a:5.59 2500 3.43 1.3 2000 4 2.7 baliga 和 johnson 优值因子是衡量材料的电学特性的重要参数。 表 1-1 中比较 了 si、gaas、6h-sic，4h-sic 和 gan 几种材料的基本参数。用来表征材料特性 的 baliga 优值因子和 johnson 优值因子分别可以用以下公式表示： 2 22 4 sbv e jmf (1-1) 2 0b ebfom (1-2) 其中 eb为击穿电场，vs为电子饱和速度， 0 为介电常数，为迁移率。通 过比较可以看出，gan 材料的优值因子相对而言是很高的，这也表明其在微波功 率应用等方面的潜力是巨大的。 在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管（hemt）是应用于高频 第一章 引言 5 大功率场合最主要的器件。这种器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电 子气（2deg）形成导电沟道，2deg 的密度、迁移率和饱和速度等决定了器件的 电流处理能力。基于 gan 及相关-族氮化物材料（aln，inn）的 hemt 器件 则是目前化合物半导体电子器件的研究热点。与第二代半导体 gaas 相比，gan 在材料性质方面具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗 辐照能力强等优势，因此 gan hemt 的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力 很强，而且族氮化物材料具有砷化物所没有的强自发和压电极化效应10-15，如 图 1-3 所示，可显著提高异质结材料结构中 2deg 的密度和迁移率，赋予 gan 基 异质结器件非常强大的电流处理能力。 sgd pspppe algan gan substrate pspe 图 1- 3 algan/gan 异质结构的极化效应 高电子迁移率晶体管（high-electron mobility transistor） ，也可以称为异质结 场效应管（heterostructure field-effect transistor）或调制掺杂场效应晶体管 （modulation doped field-effect transistor） ，是属于场效应晶体管器件的一种。它 最初是从 gaas mesfet 发展而来，并在 1980 年出现了第一支 hemt 晶体管的 报导16。常用的结构在半绝缘 gaas 衬底上生长一层超晶格缓冲层来阻止衬底的 缺陷进入沟道层，然后生长一层未掺杂的 gaas 作为沟道，再生长一层 n-type algaas，形成异质结，然后在其上分别制作肖特基结和欧姆接触，引出源、栅、 漏三个电极。由于 n-type algaas 和 gaas 的电子亲和势、禁带宽度不同，当它们 紧密接触后， 禁带宽度大、 电子亲和势小的 n-type algaas 将有电子移向 gaas 中， 并被限制在 gaas 一侧的量子阱中，形成二维电子气（2deg） 。gan hemt 的结 电子科技大学硕士学位论文 6 构与 gaas hemt 的结构相似，在 gan 沟道层上生长一层约 20nm 的 algan 势 垒层，在界面处，由于能带差也形成一个势阱，唯一不同的是由于 algan/gan 异质结间的强自发和压电极化效应而生的电场使得势阱中电子浓度比 gaas 基异 质结高出约一个量级，这也是 gan 基器件更适于大功率处理领域的原因。 ef ef ef vgs=0v vgsvth ef ef ef vgs=vth0vvgs=vth0v depletion-modeenhancement-mode 图 1- 4 hemt 器件工作的能带结构示意图 hemt 器件的开关态，是利用外加栅压控制 2deg 的浓度来实现。工作模式 有增强型和耗尽型两种，其能带示意图如图 1-4 所示，目前常用的为耗尽型。在 零栅压下，已经存在 2deg，当源极、漏极之间加上电压，电子电流就在 2deg 这层由源极向漏极流动，改变外加栅压，异质结势垒高度变化，引起 2deg 浓度 改变，即导电沟道电导变化，输出的漏极电流也发生变化，因此 hemt 是通过外 加于栅极上的垂直电场控制 2deg 运动的高电子迁移率场效应晶体管。对于增强 型 hemt 器件， 在 0v 栅压下， 沟道是夹断的， 当栅压增大时， 沟道内出现 2deg， 沟道导通，电子从源极流通到漏端，实现电流和功率的输出。 1.3 表征 hemt 器件的基本参数 在这一部分主要介绍下 hemt 器件的一些主要参数。 hemt 器件的直流特性 通常通常包括器件的输出特性曲线和转移特性曲线。输出特性曲线主要是 id-vd 的关系，转移特性曲线通过 id-vg的关系来表征。 典型的 algan/gan hemt 器件，伏安特性可用缓变沟道近似求解，漏极电 流沿沟道的分布表示为17： 第一章 引言 7 dx xdv xqwxi ngnd (1-3) 其中，wg是栅极的宽度，qn(x)是单位表面积的沟道电荷，v(x)是表面势沿 沟道的分布。若单位面积的栅电容为 c0，栅电压为 vg，则有： tgs gn vxvvc vcxq 0 0 )( (1-4) 若电子迁移率恒定，对 id(x)积分，则可得漏极电流： dsg v tgsgngd l d xdvvxvvcwlidxxi 0 0 0 (1-5) 20 2 1 dsdstgs g gnd vvvv l c wi (1-6) 在 vds较小时，将得到线性关系为： dstgs g g nd vvv l w ci 0 (1-7) 在 vds较大时，漏电流将饱和，由 /0 dd didv 得： 2 0 2 tgs g gn ds vv l wc i (1-8) 器件跨导的大小是表征一个器件在微波功率方面应用的重要参量。器件跨导 的大小对器件的功率增益及频率特性都有影响。跨导被定义为一定栅压变化条件 下的电流处理能力，一般从转移特性曲线求导所得，在器件测试时也可近似选择 输出特性中跨度最大的两条曲线来对跨导进行估算。 tan ds d m gs vconst i g v (1-9) hemt 器件在小信号下的工作状态可以用小信号等效电路模型来表示，栅源 电容，跨导，栅漏电容，输出电阻部分为本征参量，这些参量可以通过小信号的 s 参数提取出来根据公式计算而得，同时，通过小信号 s 参数的测量，我们还可 以获得器件的截止频率特性。s 参数的测量也比较方便，通常在裸片的情况下， 采用微波探针台和矢量网络分析仪就可以对器件的小信号性能进行测试。 电子科技大学硕士学位论文 8 小信号 s 参数的测量，如图 1-5 所示，得到 s 参数以后，我们可以用来建立 一定的器件模型，不断调试，获得一定精确度的器件模型后，就可以进行后续的 一系列电路仿真应用了。通常情况下，我们会用一些指标来表征器件的性能，对 于 hemt 主要应用在微波功率领域， 我们首先关心的参数除了它的直流输出能力 以外，主要还包括电流截止频率（ft） ，最高振荡频率(fmax)，最大输出功率（pout） 以及功率附加效率（pae）等，而这些参数的获得主要是通过 s 参数计算单边增 益或 h 参数等得到。 图 1- 5 小信号 s 参数的测量 最大稳定增益： 21 12 ( ) s msg f s (1-10) 最大可用增益： 2 21 12 ( )(1) s mag fkk s (1-11) 其中稳定因子： 222 112211221221 1221 1 ( ) 2 sss ss s k f ss (1-12) 场效应器件的截止频率（ft）是用来表示电流的增益等于 1 时的频率，其定 义如公式 1-13 所示，近似情况下，我们可以用公式 1-14 中 ft来计算，fmax 是用 来表征功率增益等于 1 时的频率，获取方法可以通过公式 1-14 中 fmax的表达式。 gs m t c g f 2 (1-13) 第一章 引言 9 21 0 t ff h max 0ff u 或 max 0 mag ff msg (1-14) 如上所述， 器件的电流截止频率和最高振荡频率通常采用测试器件的 s 参数， 然后通过计算或外推的方法获得， 电流截止频率为电流增益为0db时对应的频率， 最高振荡频率为单项功率增益为 0db 时对应的频率。 电流增益采用 h21参数表示， h21与 s 参数有下面的转换关系： 21 21 11221221 2 11 s h sss s (1-15) 单向功率增益： 2 21 12 2121 1212 1 ( ) 22 re s s u f ss k ss (1-16) 这样通过 s 参数可以得到器件的电流截止频率和最高振荡频率的测试结果。 众所周知，s 参数是小信号的线性参数，所以对于表征器件的工作特性，尤 其是大功率器件来说不是特别精确，而大信号的参数获取，则通常要借助于 load-pull 和功率计等测量仪器和手段。 load-pull 测试系统是验证功率放大器最精 准且最完整的量测平台，如图 1-6 所示是一般的大信号测试系统平台。输入与输 出阻抗调谐器（input tuner, output tuner） ，方向耦合器（directional coupler） ，衰 减器（attenuator）等组件，在测量前都必须先作校准（calibration） 。测量时先将 输入端的 tuner 固定在某一阻抗,然后变动输出端 tuner 的位置以得到最大输出 功率的输出端负载阻抗。 再将输出端tuner 固定在此阻抗位置去变动输入端tuner 以得到更大的输出功率。这个步骤就是所谓的 source-pull 测量。然后找出在达到 最大输出功率时的最佳输入阻抗位置并固定之，并继续重复 load-pull 测量的步 骤。在经过来回地不停地重复调整过程后，最后就能够找出最佳输入与输出阻抗 的位置。load-pull 测量最重要的目的便是找出最佳负载阻抗（optimum load impedance）使功率器件在给定输入功率下有最大的功率输出。 电子科技大学硕士学位论文 10 图 1-6 large signal 测试系统示意图 功率放大器输出功率定义为功率放大器驱动给负载的带内信号的功率，它不 包括谐波成分以及杂散成分的功率。功率放大器的负载通常为天线，阻抗一般是 50。 2 2 out out l v p r (1-17) 其中 vout是输出信号的幅度，rl是负载阻抗。 放大器的效率用来衡量放大器将电源消耗的功耗转化为输出功率的能力。效 率有三种不同的定义方式，用的最多的一种是功率附加效率，其定义式为： outinoutin dcoutloss pppp pae ppp (1-18) 其中，pout是放大器负载上的输出功率，pin是放大器的驱动信号功率，而 pdc 是电源上消耗的功率，ploss主要是指晶体管消耗的功率。 1.4 本论文的研究目的 gan hemt 器件在微波功率应用中已经逐步在走向实用化， 但是针对于器件 应用中所出现的一些问题还没有很好的解决， 比如 gan 材料中的缺陷行为是如何 第一章 引言 11 影响器件可靠性的， 以及如何获得更好性能的增强型 gan hemt 器件并实现 gan 器件在数字及射频微波电路中的应用等，还需要再进行更深入的探索。 本论文涉及到的内容主要分为三个部分： 1.首先采用变频电容电压法分析了 algan/gan 异质结构高低频之间的电容 离散问题，采用数值拟合的方法获得导致电容离散的有效缺陷态密度，并对这些 缺陷态产生的原因进行分析，最后通过氟基等离子体处理的方法对分析结论进行 了验证。 2.根据前述的实验氟基等离子体处理能对 algan/gan 异质结的夹断电压造 成正向偏移，我们将对辐照处理后的 algan/gan 材料及器件的影响进行研究， 包括氟基等离子体辐照对 algan/gan 异质结构的 2deg 的浓度、迁移率以及夹 断电压的影响。最后采用氟基等离子处理的方法在 n-type sic 衬底上研究制备增 强型的 gan hemt 器件， 采用不同的处理功率分析测试处理后的器件性能， 实现 高性能并具备功率输出能力的增强型 gan hemt 器件。 3.根据氟离子在势垒层中起受主缺陷作用的报道，论文中还对氟基等离子体 影响器件阈值电压的机理进行了仿真模拟， 为采用氟处理实现增强型 gan hemt 器件的机理给出了一定的解释说明。 电子科技大学硕士学位论文 12 第二章 电容电压法分析 algan/gan 异质结构缺陷态 基于 algan/gan 异质结的高电子迁移率晶体管（hemt）在得到迅速发展的 同时，其性能却一直受到电流崩塌以及器件可靠性的影响。steven 等人认为电流 崩塌和缺陷行为有关， 这些缺陷可能来自于 gan 表面或缓冲层18。 但是造成电流 崩塌的机理，例如空位，点缺陷还是表面态的影响等，一直没有给出很好的解释。 因此很多人尝试对 algan/gan 异质结构的缺陷行为进行分析，而且电容-电压法 (c-v)也是分析陷阱行为的最常用方法19。 采用汞探针电容-电压法分析 algan-gan 外延材料比较常见，这种方法可以 很好的用来判断夹断电压和载流子的浓度分布。并且还可以根据变频扫描获得的 c-v 特性来分析半导体材料中的缺陷态。因此，我们选择采用变频扫描对所获得 的电容电压数据进行数值拟合来分析这些重要的参数特别是缺陷态密度的分布。 2.1 电容电压法的测试原理 电容-电压测试被广泛应用于半导体参数测量中， 尤其是场效应管结构。 此外， 利用 c-v 测量还可以对其他类型的半导体器件和工艺进行特征分析， 包括双极结 型晶体管（bjt） 、jfet、iii-v 族化合物器件、光伏电池、mems 器件、有机 tft 显示器、光电二极管、碳纳米管（cnt）和多种其他半导体器件。 在工艺中，c-v 测量可用于分析栅氧厚度、栅氧电荷、游离子（杂质）和界 面陷阱密度。在后续的工艺步骤中也会用到这类测量，例如光刻、刻蚀、清洗、 电介质和多晶硅沉积、金属化等。当在晶圆片上完全制造出器件之后，在可靠性 和基本器件测试过程中可以利用 c-v 测量对阈值电压和其他一些参数进行特征 分析，对器件性能进行建模。c-v 测量法具有测量简单、方便、快速、经济、稳 定可靠等优点，而且对样品是非破坏性的，所以应用比较广泛，是一种重要的半 导体器件检测手段。 c-v 分析法是半导体表征方法中很普遍的一种，是一种非损伤的，迅速而准 确的测试表征方法， 并且所测得的 c-v 曲线可以用来表征半导体器件掺杂浓度的 变化，c-v 测试的原理是建立在空间电荷区随外加栅压的变化上，图 2-1 所示为 c-v 测试的基本搭配。 第二章电容电压法分析 algan/gan 异质结构缺陷态 13 图 2- 1 c-v 测试方法的示意图 考虑到肖特基势垒， 假设半导体内有一个均匀的失主掺杂浓度分布 nd， 当一 个直流偏压加到金属肖特基接触时，施加的偏压会在半导体体内耗尽一个宽度为 w 的空间电荷区，因为施加电压的影响，被耗尽的是可移动的电荷，也就是说电 容电压法表征的是载流子的浓度，而不是掺杂浓度，实际测量到的是有效的载流 子浓度，假设空间电荷区的失主全部电离并且由于偏压的影响没有可动电荷，那 么我们可以得到： 0 0 3 2 2 2 2 1 d s s c n dc qad dvc qqa dv (2-1) 其中，a 是肖特基接触的面积，q 为电子电荷，c、v 分别为测到的电容电 压值。反偏节的电容可以看做一个平行板电容器来处理，得到： 00ss aa cw wc (2-2) 面电子浓度被定义为有效载流子集中在半导体或异质结界面处，通过积分可 以得到 00 ( )( ) swd nnw dwnc dv (2-3) 电子科技大学硕士学位论文 14 同样将异质结作为平行板电容器来处理，可以得到 0algans s dv wa dn (2-4) 综合公式 2-3，2-4，则可以得到异质结中电子浓度随深度的变化。通常普遍 采用的汞探针 c-v 测试方法，由于汞滴在室温下是呈液态，可以很容易的放置并 清除不会造成一些残留的污染。汞探针 c-v 的马蹄形接触如图 2-2 所示，圆心处 为肖特基接触，外环马蹄形为欧姆接触。 图 2- 2 汞探针 c-v 的接触图形 2.2 电容电压法分析二维电子气密度 典型的 algan/gan 异质结构 c-v 曲线如图 2-3 所示，所测曲线的扫描偏压 从-9v 扫描到 0v，扫描频率设置为 100k 赫兹，常规情况下 algan/gan 异质结 的夹断电压为-4.5v 左右。采用汞探针 c-v 测试法，在肖特基接触施加负偏压情 况下，须当电容值耗尽到 pf 量级时所测到的 c-v 曲线才属于正常，如果在扫描 前电容值没有完全耗尽所测的曲线则可能不准确，通常如果肖特基接触不理想， 或没有接触良好，则会造成测试误差。当扫描偏压从耗尽态逐渐增大一直达到夹 断电压时，则会出现一个电容值的跃变，此时沟道内的 2deg 导通，电容值随扫 描偏压增加不再增大。 第二章电容电压法分析 algan/gan 异质结构缺陷态 15 -10-8-6-4-202 0.0 500.0p 1.0n 1.5n 2.0n capacitance (f) bias voltage (v) 图 2- 3 常规 gan hemt 的 c-v 测试结果 2025303540 0.0 5.0 x10 19 1.0 x10 20 1.5x10 20 2.0 x10 20 concentration ( (cm -3) ) depth (nm) 图 2- 4 2deg 的浓度与深度的关系曲线 通过公式 2-3 及 2-4，将所测得的 c-v 曲线转化为载流子浓度随深度的变化 曲线，如图 2-5 所示，从图中我们可以看到，2deg 主要集中在 25nm 以内，峰值 约 22nm 处，积分面积为 1.14e13cm-2，位置在 21.98nm 处。这里的积分面积，即 为计算所得的 2deg 的浓度，通过峰值位置的计算，我们可以估计 2deg 所处的 电子科技大学硕士学位论文 16 位置，大约在 22nm 处，也就是说 algan 势垒层的厚度约为 22nm，虽然通过这 种方法估算所得的势垒层厚度与 xrd 测试所得的 algan 厚度有些许的偏差，但 是我们仍然可以采用这种方法进行对势垒层进行一定的估值。其实关于势垒层的 厚度也可以从 c-v 曲线中直接得到，从 c-v 曲线中，载流子积累区的电容值，可 以看成是一个平行板电容器， 中间的介质即为 algan， 通过平行板电容器的公式， d s c 0 (2-5) 我们也可以近似得到这个厚度，两者原理是一致的。 02000400060008000 1e11 1e12 1e13 1e14 1e15 1e16 1e17 1e18 1e19 1e20 1e21 1e22 concentration ( (cm -3) ) depth (nm) 图 2- 5 2deg 浓度与深度曲线的对数坐标表示 将图 2-4 的纵轴转化为对数坐标，可以用来估测衬底的掺杂浓度，如图 2-5 所示。 衬底背景掺杂浓度在 1e16cm-3左右， 由此也可以表征衬底的半绝缘的程度。 gaas、gan 基射频功率器件比硅基射频器件的优点之一在于能够有比较高的半 绝缘衬底。半绝缘的衬底可以使集成电路上实现更好的信号绝缘，并采用损耗更 低的无源元件。而如果衬底是传导性的话，就无法实现这一优势。在 cmos 中， 由于衬底具有较高的传导性，很难构建起功能型微波电路元件，例如高 q 电感器 和低损耗传导线等。这些困难虽然可以在一定程度上得到克服，但必须通过在 ic 装配中采用各种非标准的制程来能实现，而这会增加 cmos 设备的制造成本。 第二章电容电压法分析 algan/gan 异质结构缺陷态 17 2.3 变频电容电压法缺陷态分析 本实验中，对分别生长在蓝宝石（sapphire）和碳化硅（sic）衬底上的两个 样品进行了 c-v 特性的测试。结合电容-频率法（c-f）对实验数据和理论曲线进 行数值拟合以获得缺陷态密度。 同时氟离子处理的方法已被用在增强型 hemt 器 件实现中8，本节实验中采用合适的氟离子处理验证了 algan 或 gan 中体缺陷 和表面在 algan/gan 异质结中的陷阱行为。 采用 mocvd 法在蓝宝石和碳化硅衬底上分别生长了两个常规结构的 algan/gan 异质结样品。 材料结构包括 1.