（微电子学与固体电子学专业论文）原位生长介质层mishemt器件的研究.pdf

摘要 摘要 g a n 基h e m t 器件在高频和高功率应用上展示了非常好的特性，但是 a 1 g a n g a n 异质结h e m t 器件仍然存在栅泄漏电流较大和电流崩塌效应等问题。 为了有效的减小栅泄漏电流和抑制电流崩塌效应，本文重点研究了m i s h e m t 器 件。m i s h e m t 器件主要的问题是g a n 与介质之间的界面态陷阱密度较高，限制 了m i s h e m t 器件的优势。因此本文提出以原位生长的a i n 材料作为m i s h e m t 器件的介质材料以减小工艺步骤和界面态陷阱浓度，并取得了较为理想的结果。 本文首先完成了以原位生长的低温和高温a i n 材料作为介质层的m i s h e m t 器件的制作，并通过室温下对m i s h e m t 器件和常规h e m t 器件特性的对比分析。 发现低温a i n 介质材料的m i s h e m t 器件可以减小栅泄漏电流达两个数量级，击 穿电压也得到明显的提高；而高温a i n 介质层的m i s h e m t 器件主要提高了击穿 电压，有效的抑制了电流崩塌特性，通过对其电学应力的测试发现，在开态应力 下主要是由于沟道导通电阻的增加导致器件性能的退化；而关态应力主要是由于 在高场作用下在a 1 g a n 势垒层或g a n 缓冲层内陷阱的增加而导致的k i n k 效应和 栅延迟效应的增强。 为了进一步提高高温a i n 介质层的m i s h e m t 器件的性能，本文进一步对高 温a 1 n 介质材料进行了氧化处理，在对氧化处理后的m i s h e m t 器件的性能分析 中发现，氧化后器件的栅泄漏电流减小了两个数量级，电流崩塌也得到了很好的 抑制。 关键词：a i g a n g a nm i s h e m t电流崩塌 a b s t r a c t 3 a b s t r a c t g a n - b a s e dh 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 s ( h e m t s ) h a v e d e m o n s t r a t e d o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ef o rh i g h - p o w e ra n dh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n s i - i o w e v e r ， m e ya l s oh a v es o m ed e f e c t s ，s u c h 勰t h el a r g e rg a t el e a k a g ec u r r e n ta n dc u r r e n tc o l l a p s e , w h i c h w o u l ds e r i o u s l yl i m i tt h e i ra p p l i c a t i o n s r e c e n t l y , m i s - h e m t sh a v eb e e nt a k e n i nf o rt l l e i rc o m p a r a t i v e l yb e t t e rc o n t r o lo fg a t el e a k a g ea n dc u r r e n tc o l l a p s e h o w c v c l r ， t h eh i 曲c o n c e n t r a t i o no fi n t e r f a c es t a t et r a p sh a sa l w a y sb e e nt h ek e yl i m i t a t i o n so f m i s - h e m td e v i c e s i nt h i st h e s i s ，a i nw i l lb eg r o w ni n - s i t u 勰t h ed i e l e c t r i cm a t e r i a l o fm i s - h e m t s ，i no r d e rt oc o n d e n s et h ep r o c e s sa n dg e tl t tl o w e rd e n s i t yo fi n t e r f a c e s t a t et r a p s t h i sb r i n g sd e s i r e dr e s u l t s t h em i s h e m t sw i t hl o wt e m p e r a t u r e ( l t - a 1 nm i s h e m t ) a n dh i g h t e m p e r a t u r e ( h t a 1 nm i s - i - i e m t ) a 1 nm a t e r i a l s 弱d i e l e c t r i cl a y e r t i t lem a n u f a c t u r e d t h em e a s u r e m e n t sa tl o o mt e m p e r a t u r ei n d i c a t et h a tt h el t - a 1 nm i s h e m tc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h eg a t el e a k a g ec u r r e n tb yt w oo r d e r sa n di n c r e a s et h eb r e a k d o w n v o l t a g eg r e a t l y m e a n w h i l e , t h eh t - a i nm i s h e m t c a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s sc u r r e n t c o l l a p s e l o n gt e r mo n - s t a t ea n do f f - s t a t es t r e s sa r ef o r c e do nt h eh t - a 1 nm i s h e m t a t t e ro n s t a t es t r e s s ，d u et ot h er e d u c t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o no f2 d e g ，t h ei n c r e a s e d r e s i s t a n c ei nc h a n n e li n d u c e st h ed e g r a d a t i o no ft h ed e v i c e a f t e ro f f - s t a t es t r e s s ，d u et o t h eh i l g he l e c t r i cf i e l dd u r i n go f f - s t a t es t r e s s ，l o t so ft r a p sa r eg e n e r a t e di nt h es u r f a c e0 1 b u f f e rl a y e r ，w h i c he n h a n c et h ek i n ke f f e c ta n dg a t e - l a ge f f e c t i no r d e rt o f u r t h e l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eh t - a i nm i s h e m t ，t h e h i g h - t e m p e r a t u r ea 1 n i so x i d i z e d i ti sf o u n dt h a to x i d a t i o nc a l le f f e c t i v e l yr e d u c eg a t e l e a k a g ec u r r e n tb yt w oo r d e r s ，a n ds i g n i f i c a n t l ys u p p r e s s e st h ec u r r e n tc o l l a p s ee f f e c t k e y w o r d s ：a i g a n g a n m i s - h e m tc u r r e n tc o l l a p s e 独创性( 或创新性) 声明 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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 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使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 幽身刈 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用学位论文的规定，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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 萏么：；盘 日期 知么： 至：厶 第一章绪论 第一章绪论 1 1g a n 基h e m t 器件存在的问题 1 1 1g a n 材料在微波功率器件方面的优势 继第一代g e 、s i 半导体材料、第二代g a a s 、i n p 化合物半导体材料之后， g a n 材料以其良好的电学特性已被誉为第三代半导体材料【i 】；g a n 材料具有宽禁 带宽度，高击穿电场，高热导率，耐腐蚀，抗辐射等优点，是制作高频、高温、 高压、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料【2 】f 3 】【4 】。 g a n 是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1 7 0 0 。o a n 具 有高的电离度，在一v 族化合物中是最高的。在大气压力下，六方纤锌矿结构 g a n 晶体，它在一个元胞中有4 个原子，原子体积大约为g a a s 的一半。因为其硬 度高，又是一种良好的涂层保护材料。在室温下，g a n 不溶于水、酸和碱，而在 热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。g a n 在h c i 、h 2 气或高温下呈现不稳定特 性，而在n 2 气下最为稳定。 表1 1几种重要半导体材料的性能参数 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 数j m f t 5 】和b a l i g a 品质因数b f o m 【6 1 是表征半导体材料高频大功率应用潜力的指 标： j m f = 簪 ( 1 ) 原位生长介质层m i s h e m t 器件的研究 b f o m = c l a 。岛2 ( 1 - 2 ) 式( 1 一1 ) 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。 1 1 2g a n 基h e m t 器件的发展 19 9 2 年k h a n 等人【7 】在蓝宝石衬底上制造出a 1 g a n g r n 异质结材料，并利 用s d h 量子霍尔效应证实了a 1 g a n g a n 界面二维电子气( 2 d e g ) 的存在。该 a 1 g a n g a n 异质结2 d e g 的室温迁移率为8 3 4 c m 2 n s ，7 7 k 迁移率为2 6 2 6 c m 2 v s 。 室温2 d e g 密度为l 1 0 1 1 c i i i 2 。a i g a n g a n 异质结2 d e g 出色的电流处理能力使 得a i g a n g a n 异质结材料成为制造高频大功率器件( 主要是h e m t 器件) 的理想选 择。 此后，随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底a 1 g a n g a n 单 异质结( s h ) 的2 d e g 迁移率不断增加。1 9 9 2 年，低温( 7 7 k ) 2 d e g 迁移率为 2 6 2 6 c r a 2 n s 8 1 ；1 9 9 5 年，低温迁移率达到5 0 0 0c 1 1 1 2 n $ 9 ；1 9 9 6 年，低温迁移率提 高到5 7 0 0c l n 2 n s 1 叫；1 9 9 9 年，低温迁移率提高到1 0 3 0 0c m 2 n s 1 1 1 。此后蓝宝石 衬底a 1 g a n g a n 异质结2 d e g 迁移率没有更高的报道。对于室温2 d e g 迁移率， 通常在8 0 0 1 5 0 0g i n 2 n s 之间。 a i g a n g a n 异质结材料性能不断提高的同时，a i g a n g a nh e m t 器件的性能 也得到了不断的提高。1 9 9 9 年s i c 衬底a i g a n g a nh e m t 器件获得了高达 9 2 w m m 8 g h z 的功率密度【1 2 1 。2 0 0 1 年v m a y a kt i l a k 等人制造的s i c 衬底 a i g a n g a nh e m t 器件获得了1 0 7 w m m 1 0 g h z b 】。c o n e l l 大学的j o h n z o l p e r 博士研制出功率密度达到1 1 7 w m m 1 0 g h z 的s i c 衬底a 1 g a n g a nh e m t 器件 【1 4 】。这近似为g a a sp h e m t 器件功率密度的十倍。2 0 0 5 年，a i g a n g a nh e m t 器件的微波功率特性取得了很大的突破：日本富士通公司研制出功率达到2 5 0 w 的 a 1 g a n g a nh e m t 器彳牛【b j ，该器件具有很高的可靠性；r fm i c r od e v i c e s 的v e t u r y r 等人报道了功率密度为2 2 7 w r a m 2 1 4 g h z 的a 1 g a n g a nh e m t 1 6 1 ，其输出 功率附加效率( p o w e ra d d e re f f i c i e n c y , p a e ) 达到5 4 ；r o c k w e l ls c i e n t i f i cc o m p a n y 的b o u t r o sk s 等人报道了栅长为1 0 0 n m 的a 1 g a n g a nh e m t 器件【1 7 1 ，在饱和电 流为1 5 a m m 时其跨导为3 5 0 m s r a m ，截至频率办为1 5 2 g h z ，其最大振荡频率缸 为1 7 3 g h z 。2 0 0 6 年，m a e k a w a a 等人成功开发出5 0 0 w 的a 1 g a n g a nh e m t 功 率放大器【l 引，该放大器由四个h e m t 芯片组成，工作在1 5 g h z 下具有高的线性 增益1 7 8 d b 。2 0 0 7 年，日本e u d y n ad e v i c e s 实验室的e i z om 等人报道了功率达到 8 0 0 w 的a 1 g a n g a nh e m t 功率放大器【1 9 1 ，其工作在2 9 3 3 g h z 功率附加效率为 第一章绪论 3 5 0 ，线性增益为1 4 0 d b ；同年，南罗莱纳州大学k o u d y m o v a 等人报道了高功率 附加效率的a 1 g a n g a nh f e t 2 0 1 ，其功率密度2 0 w m m 2 g h z ，其功率附加效率 最高为7 4 。 可见，a i g a n g a nh e m t 器件具有极好的微波大功率特性大大地增强了g a n 微波功率器件的研究和应用前景【2 j 。 尽管h e m t 器件在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效应【2 1 1 和栅泄漏电流较大【2 2 】【2 3 】的现象。 电流崩塌现象最主要的表现为器件在高频信号驱动下，输出电流剧减，导致 输出功率密度和功率附加效率减小【2 l 】。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，最大饱和电流减小， 膝点电压升高1 2 4 1 ，最终导致输出功率密度和功率附加效率减小。对器件施加高漏 压或高负栅压应力时，则在应力中漏极电流明显下降，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。在漏极或栅极施加电压变化幅度较大的脉冲信号，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 延迟或栅延迟现象【2 6 j 。漏延迟是指栅压固定，在漏极加一脉冲电压，漏电流会小 于脉冲前的电流值，并且在脉冲结束后，漏电流要经过一段时间后才能恢复到脉 冲前的值的现象。研究表明这种漏延迟与g a n 缓冲层内的陷阱有关，在g a n m e s f e t 器件中也观察到这种崩塌现象，而且实验结果表明这种崩塌不受表面钝 化的影响，因此可以确定它是由缓冲层中的电子陷阱产生的。栅延迟是指漏压固 定而在栅极上加上一个脉冲电压时，漏电流小于脉冲之前的电流值，并且当脉冲 结束后漏电流也需要经过一段时间才能恢复的现象。栅延迟是当前关于 a 1 g a n g a nh e m t 电流崩塌现象研究的热点。当前的研究表明这种栅延迟主要和 a 1 g a n 表面的陷阱有关，并且当对a i g a n g a nh e m t 器件进行表面钝化后【27 1 ，其 栅延迟现象明显减弱，而钝化的主要作用就是覆盖a 1 g a n 层的表面态，从而达到 减小表面陷阱的作用，因此可以确定栅延迟应该就是由于a 1 g a n 表面的陷阱导致 的。 以上所有的现象都表明：在a 1 g a n g a nh e m t 中存在大量的陷阱【2 8 1 ，正是由 于这些陷阱的存在才使得输出漏电流下降、膝点电压上升，进而使输出功率下降， 小于预计值。 对于电流崩塌现象物理机制的解释，现在比较成熟的解释是虚栅模型，若在 a i g a n 的表面存在大量的表面陷阱【2 引，而这些陷阱在栅电压的作用下将对2 d e g 起到一定的充放电调制作用，从而会有效的控制源漏电流的大小。一般认为表面 4 原位生长介质层m i s h e m t 器件的研究 陷阱的充电时间较短而放电时间较长，当在器件的栅上加一个脉冲信号时，在很 短的时间内将对表面陷阱进行充电，2 d e g 将会在瞬时减小，但是由于表面陷阱的 放电时间较长，2 d e g 的恢复需要一定的时间，源漏电流从减小恢复到原来值就需 要明显的时间，这样就出现了我们常说的电流崩塌现象。除了表面陷阱之外，缓 冲层 2 9 1 和a 1 g a n 势垒层中的深能级陷阱都可能造成电流崩塌现象。 另外，栅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。 1 2m i s h e m t 器件的发展 1 2 1m i s h e m t 器件研究进展 e r e n 等人在1 9 9 8 年的报道中指出g a n 基m i s f e t 结构器件可以降低栅泄漏 电流。在硅工艺技术中，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 i 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 i 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 i 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 i 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 i s h e m t 器件的研究 就显得格外重要。 介质栅结构的h e m t 能使栅泄漏电流明显减小，同时器件还能工作在更高的 正栅压下，从而获得更大的饱和电流。近来，使用s i 0 2 t 3 0 1 3 1 1 ，s i 3 n 4 【3 2 1 ，砧2 0 3 【3 3 】【3 4 】【3 5 】 和其他介质【3 6 l 【37 】作为栅绝缘层的金属绝缘层半导体高电子迁移率晶体管 ( m i s h e 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，图1 1 中清晰的记载了从第一个m i s h e m t 器件问世至今几乎所有的使用 过的介质材料，可以很明显的看出，从1 9 9 8 到2 0 0 2 年间主要是对传统的s i 0 2 和 s i 3 n 4 介质材料的研究，从2 0 0 2 年至今主要是对h i g h - k 及复合层介质材料的研究， 主要包括a 1 2 0 3 、n i o 和h f 0 2 等，这主要是考虑了传统的s i 0 2 和s i 3 n 4 介质材料 低的介电常数所导致的器件的直流特性的退化，在减小栅泄漏电流和电流崩塌的 同时却出现了饱和电流和最大跨导的明显减小，为了能保持不影响原有h e m t 器 件直流特性的同时达到减小栅泄漏电流和电流崩塌的目的，人们进而改用介电常 数更高的h k 材料作介质层。 第一章绪论 5 最近也有人提出用p e c 的方法来对a i g a n 的表面进行处理以得到舢2 0 3 和 g a 2 0 3 的混合物作为介质层p 引，这样做的优点是可以不用再重新生长介质层，在减 少工艺流程的同时可以减少大量的界面态陷阱，可以在介质层和a i g a n 之间形成 较好的接触。但是这种方法对p e c 的单步工艺要求很高，其形成的介质层组分很 难确定，且厚度很难控制，这样制作出的m i s 器件的直流特性如饱和电流、最大 跨导等，都有可能会有很明显的下降。 1 2 2 原位生长介质层的提出及其优点 早在2 0 0 5 年由c j k a o 首先提出了以原位生长低温g a n 作为介质层的方法 来制作m i s h e m t 器件3 9 1 ，并且获得了较为理想的结果，在不影响器件原有直流 特性的同时很好的减小了栅泄漏电流和电流崩塌效应；在2 0 0 6 年由u c s b 的 y u v a r a jd o r a 博士再次提出了在m o c v d 中原位生长s i 3 n 4 和a 1 2 0 3 介质层来达到 减小栅泄漏电流的目的m 。 2 0 0 0 2 0 0 6 2 0 0 8 j v ds i 3 n 4 10 n mp e c v ds i 3 n 4 南卡、p e ca i g a n 6 n ms i 0 2 堪萨斯州立大学d e l t a 掺杂结构 1 0 n mn i 金属的氧化n i o 10 n mp e c v ds i 0 2 、低温生长g a n 、a l d - a 1 2 0 3 h k q x i d e s i a n 4 复合层、l p m o c v d - a 1 2 0 3 p e c a i g a n 、h k 介质p r 2 0 3 图i i 近十年内的介质层发展 对于m i s h e m t 器件栅介质的基本电学特性要求是，高的介电常数，大的禁 带宽度，大的导带偏移量和高质量的界面。m i s h e m t 器件的研制，首先是需要 一个匹配的栅介质材料，它能够与底下的半导体形成具有低界面念密度的界面。 6 原位生长介质层m i s h e m t 器件的研究 高密度的界面态会导致费米定扎。当界面态密度足够大并可以与底下的半导体交 换电荷，使得栅不能控制器件的导电沟道，这时候就出现了费米定扎。这些界面 态会捕获电荷并且对高频信号没有响应，这就会导致了电流崩塌现象。通常来讲， 由于g a n 界面处存在的化学和结构缺陷，界面态是不可避免的，所以良好的栅介 质其高质量的界面是必须的。 高介电常数的介质会增加栅电容，使器件有良好的沟道电荷控制【4 l l 。无论是 热电子发射还是遂穿机理，大的导带偏移量和禁带宽度对于减小栅泄漏电流非常 重要。同时高的界面态密度也能够增加通过陷阱辅助遂穿机理所产生的栅泄露电 流。因此理想的栅介质要具有高的介电常数，大的禁带宽度，大的导带偏移量和 高质量的界面。 原位生长具有其与生俱来的高质量的界面，其界面态密度相对较小。原位生 长介质层主要是指在a 1 g a n g a n 异质结材料生长完成之后，继续在a 1 g a n 材料 的表面上直接生长一层介质层，这与常规的m i s h e m t 器件相比可以大大的减少 介质层与a i g a n 势垒层之间的界面态陷阱，并且可以有效的减少工艺步骤。常规 的m i s h e m t 器件是在异质结材料生长完成之后，再通过a l d 、p e c v d 、j v d 或溅射等方法生长一层介质层，这样生长好的介质层虽然在致密性等方面会有优 势，但是在这其中的工艺过程中，很明显会在介质层与a 1 g a n 势垒层之间引入一 定量的界面态陷阱，而这些陷阱对抑制电流崩塌时是非常不利的，由c v 测试可以 很明显的发现在常规m i s h e m t 中会形成明显的磁滞效应，而原位生长的介质层 器件则没有发现磁滞效应的存在，由此可以看出原位生长介质层在与a 1 g a n 的界 面接触质量上有着较大的优势。 1 3 本文的安排 第一章介绍了族氮化物材料在微波功率放大器件方面的应用前景，由此引 入了本文的主要内容原位生长介质层m i s h e m t 器件。回顾了常规a i g a n g a n h e m t 器件和m i s h e m t 器件十年来的发展及存在的问题，首先从传统 a i g a n g a nh e m t 器件所面临的问题入手，提出了m i s h e m t 器件在克服 a i g a n g a nh e m t 器件所面临的两个主要问题的优势，接着引入了本文的核心： 原位生长介质层m i s h e m t 器件的研究。 第二章首先说明了g a n 基h e m t 器件的工作基础：g a n 材料的极化效应和 2 d e g 的产生根源，进而对本文中采用的低温和高温两种原位生长的介质材料的性 能进行了初步的分析。对低温原位生长的多晶a 1 n 介质层主要分析了其表面形貌 和组分，对高温原位生长的单晶a 1 n 介质层主要分析了其电学特性。并对原位生 长介质层的m i s h e m t 器件的工艺步骤进行了说明，对刻蚀、欧姆接触和肖特基 第一章绪论 7 接触三种主要工艺进行了进一步的分析。 第三章主要对低温a 1 n 介质层和高温a 1 n 介质层的两种器件的性能进行了测 试和分析。对于低温a 1 n 器件主要对其直流的输出、转移、栅泄漏电流和击穿电 压等特性进行了系统的分析，发现低温a 1 n 介质材料对减小栅泄漏电流和提高击 穿电压方面有这非常好的效果，栅泄漏电流比常规h e m t 器件减小了两个数量级， 击穿电压更是从常规器件的7 3 v 提高到了1 0 0 v 以上，而且其栅电压很显然可以加 至u + 3 v 甚至更高，有效的增加了栅压摆幅，而且阈值电压并没有向负向漂移。对于 高温a 1 n 介质层器件，其直流特性、小信号特性、电流崩塌特性和电学可靠性都 进行了系统的讨论。高温a 1 n 介质层器件除了能够有效的提高击穿电压外更是能 够有效的抑制电流崩塌，通过改变脉冲的不同静态工作点发现高温a 1 n 介质层器 件的交流崩塌量远小于常规n e f r 器件。且高温a 1 n 介质层器件的特征频率( 嘞达 到了1 8 5 g h z ，最大振荡频率( 厶j 达到了2 9 g h z 。紧接着对高温a 1 n 介质层器件 长时间的电学应力可靠性进行了进一步的分析，主要包括开态、关态和半开态长 达3 0 0 0 0 s 的电学应力分析，在开态应力时发现时主要是由于陷阱捕获电子导致了 2 d e g 浓度的减小而导致电流和跨导的减小，在关态时除了输出和跨导的减小之外 更明显的是k i n k 和栅延迟的增强，很有效的说明了在关态应力时的高电场应力下 会在a 1 g a n 势垒层或g a n 缓冲层中产生一定量的陷阱。 第四章为了能够进一步改进高温a 1 n 介质层器件的性能特别是有效的减小栅 泄漏电流，本章中采用了对高温a 1 n 介质材料进行氧化处理的方法，采用的是在 等离子体去胶机中通入3 l m i n 的氧气，外加功率为3 0 0 w ，处理时间为3 分钟。对 氧化处理后的m i s - h e m t 器件进行了系统的测试分析，发现其栅泄漏电流比原来降 低了近两个数量级，击穿电压也有所提高。而且器件的输出电流在栅电压为+ 3 v 时 达到1 0 1 5 m a m m ，最大跨导为2 0 0 m s m 都比常规h e m t 器件的相应值有所提高， 而且栅压的摆幅明显增加，可以有效的说明氧化处理在改善器件的直流特性方面 效果是非常好的。对器件的电流崩塌特性测试发现，在不同的栅脉冲静态点和不 同的漏脉冲静态点下，器件对电流崩塌抑制能力也很明显，比常规h e m t 器件的电 流崩塌量要小很多。紧接着对器件的电学应力进行了分析，主要包括开态和关态 两种电学应力的分析。 第五章对全文的工作进行了总结，概括了本文的研究意义和结论，并提出了 今后研究的发展方向。 通过以上的研究，成功的提出了原位生长介质层的m i s h e m t 器件，改进了 栅泄漏电流，击穿电压，电流崩塌和电学应力可靠性等问题，并获得了较理想的 器件性能，希望我们的工作能够对a 1 g a n g a nm i s h e m t 微波功率放大器件的继 续研究提供一些有益的参考。 第二章原位生长介质材料与器件工艺的研究 第二章原位生长介质材料与器件工艺的研究 本章首先介绍了o a n 摹器件的工作基础：c l a n 材料的极化效应和2 d e g 的来 源。为了更具体的研究原位生长介质层的m i s h e m t 器件的性能，本章首先对原 位生长的介质材料进行初步的测试分析。对于原位生长介质层，由于生长的温度 对材料性能的影响较大，因此本章采用了在两种温度下对介质层的生长，一种是 5 5 0 ( 2 的低温，另一种就是1 0 6 0 c 的高温，然后对两者的性能分别进行了分析。 2 1a i g a n g a n 异质结材料中的极化效应和2 d e g 的来源 族氮化物材料与传统的立方晶系半导体材料相比最大的区别是：其通常是 纤锌矿晶体结构，且其在 方向具有很强的极化效应。极化效应对于族氮 化物材料的电学特性起着至关重要的作用。a i g a n g a n 势垒层中的n 型掺杂和自 发极化与压电极化所导致的内建极化电场是a i g a n g a n 异质结中2 d e g 产生的基 础，但是在没有势垒层掺杂的情况下，极化电场仍然能够产生2 d e g m 】。自发极化 和压电极化的内建极化电场和势垒层的掺杂被认为是a i g a n g a n 异质结中2 d e g 的来源。 g 自4 8 0 e n 4 a c , o n 翻2 1g a 面与n 面纤锌矿结构g 刑示意图 在a i g a n g a n 异质结中，对于自发极化来说由于a 1 - n 和g a n 化学键有很 高的离子性，n 的电负性要远大干g a ，因此电子的波函数要更偏向于n 一面，在 a 1 一n 中这种效应就更强，这就产生了一个偶极于。如图21 所示，对于g a 面g a n 材料，沿着c 轴方向的自发极化矢量是从n 指向g a ，并且产生一个相反方向的内 建电场，在通常的a i g a n g a n h e m t 器件中，a i g a n 和g a n 层都是g a 面的，两 层中的自发极化方向相同，都从n 指向g a , 自发极化的方向只与材料的n 面和g a 面有关，例如图2 1 中的n 面o a n 材料的自发极化方向则反向与衬底的方向。i i j 1 0 原位生长介质层m i s h e m t 器件的研究 族氮化物的自发极化强度要比大多数v 材料大五倍【4 3 】以上，这也是族氮化物 材料的一个特性。自发极化的强度与材料有关，例如，a i g a n 中的自发极化要比 g a n 中强，这也是在不存在压电极化情况下，a 1 g a n g a n 异质结中形成2 d e g 的 原因，图2 2 ( a ) 中所示，在厚的g a n 缓冲层上生长厚的a i g a n 层，这样两层中的 应力都得到了释放，所以不存在压电极化，正是由于a 1 g a n 中的自发极化强度大 于g a n 中的自发极化强度，因此在界面处感应出正电荷，进而形成2 d e g 。 + + - p s p9 r e l a x e d g a n p s i ,r o l a x e d s u b s t ：r a t e ( b ) p s p p p e 9 p s p s u b s t r a t e n f a r e r e n s i l es t r a i n + p s p + p p e6 g a n r e l a x e d + p s p s u b s t r a t e c o m g p a n r e s s i v 6 s t r a i n a l g a n r e l a x e d + p s p p p e9 + p s p s u b s t r a t e + 图2 2g a 面和n 面a i g a n g a n 异质结构中的极化电荷 以及自发极化和压电极化方向示意图 当在厚的g a n 缓冲层上生长一层薄的a 1 g a n 势垒层时，由于a i g a n 的晶格 常数小于g a n ，所以薄的a 1 g a n 势垒层受到张应力，而g a n 缓冲层由于比较厚应 力得到了释放。族氮化物材料的压电极化要比大多数v 材料大十倍以【4 3 】上， 这也是族氮化物材料的一个重要特性。对于g a 面材料来说，由于a 1 g a n 层受 到张应力的作用所形成的压电极化方向指向衬底，与自发极化的方向相同。相同 的自发极化和压电极化方向进一步增加了界面处的所感应的正电荷，进一步增加 了2 d e g 的浓度，如图2 2 ( b ) 所示，这是通常a 1 g a n g a nh e m t 器件中所采用的 材料结构，底层为应力释放的g a n ，上层为张应力的a 1 g a n ，这样在压电极化和 自发极化的共同作用下形成的2 d e g 密度最大，我们也可以通过改变a 1 g a n 层中 第二章原位生长介质材料与器件工艺的研究 1 1 组分来改变其极化强度，这就可以改变a i g a n g a n 异质结中2 d e g 的密度， 但是对于高灿组分的a 1 g a n 来讲，存在一个关键厚度值，如果a 1 g a n 层厚度超 过这个值，就会产生应力释放，大大降低极化效应，进而降低a 1 g a n g a n 异质结 中的2 d e g 的密度。如图2 2 ( c ) 所示，当在厚的应力释放过的a i g a n 层上生长薄 的g a n 层时，上层的g a n 受到压应力作用，因此压电极化方向与自发极化方向相 反，由于压电极化强度大于自发极化强度，因此在异质节界面处感应出负电荷， 进而在界面处形成二维空穴气。因此，对于g a 面族氮化物材料，我们可以通过 不同的生长结构来改变极化感应电荷，进而改变2 d e g 的浓度。对于n 面的g a n 材料，如图2 2 ( d ，所示，当在应力释放的g a n 缓冲层上分别生长应力释放和张 应力的a 1 g a n 层时，自发极化和压电极化方向都与g a 面g a n 材料相反，感应出 的极化电荷为负，因此在界面处会产生空穴。如图2 2 ( 0 所示，在n 面的g a n 材 料中同样可以获得2 d e g 。当在应力释放的厚a i g a n 层上生长薄的压应力的g a n 层时，在自发极化和压电极化的共同作用下在界面处感应出正电荷，因此界面处 也形成2 d e g 。 2 2 原位生长介质材料的分析 本文主要以原位生长的a 1 n 材料作为介质层，对于m i s h e m t 器件栅介质的 基本电学特性要求是，高的介电常数，大的禁带宽度，大的导带偏移量和高质量 的界面。表2 1 是几种介质材料性能的比较，a 1 n 材料以高的击穿电场，大的禁带 宽度，较高的介电常数及其与g a n 材料间较小的晶格失配等优点，是作为 a 1 g a n g a nh e m t 器件的栅介质和钝化层的理想材料。a 1 n 钝化层可以有效的减 小a i g a n 的表面态陷阱，而表面态陷阱是引起电流崩塌的主要原因，因此应用a i n 钝化层就可以有效的抑制电流崩塌效应m 。在a 1 n a 1 g a nm i sh e m t 器件中，由 于在栅下方有着禁带宽度为6 2 e v 的a 1 n 介质层，这样可以有效的提高肖特基的 势垒高度，从而达到减小栅泄漏电流提高击穿电压的目的。a i n 层的插入，同时 又会明显的提高肖特基到2 d e g 导电沟道的势垒高度，从而可以有效的抑制高温 时的电子遂穿效应和热电子发射效应，并且可以维持器件在高温工作时的大的栅 压摆幅。 在本文中介绍的a 1 g a n g a n 异质结材料都是用m o c v d 生长的，同样介质层 也是通过m o c v d 生长的，但是由于在m o c v d 中生长的材料对温度要求是很高 的，一般低温时生长的材料呈现多晶的状态，而高温时生长的是单晶状态，所以 在本文中对a 1 n 介质材料的生长时，采用了两种方案，一种是使用在5 5 0 c 的低 温下生长，第二种是在高温1 0 6 0 情况下生长的，下面将对这两种方案的材料性 能进行具体的分析。 1 2 原位生长介质层m i s - h e m t 器件的研究 表2 1 几种介质材料禁带宽度，介电常数和击穿电场的比较 禁带宽度( e v )介电常数击穿电场( m y m ) a l o 3 g a o 7 n 4 19 - 9 。5 5 s i 0 2 93 91 0 s i 3 n 4 57 51 0 g a 2 0 3 4 51 01 3 t a ：0 5 51 肌2 0 1 0 s c 2 0 3 6 31 45 m g o 88 95 h 胁 5 每5 82 m 2 52 6 仙0 3 7 99 1 0 1 0 a 烈6 2 8 91 0 1 5 2 2 1 原位生长低温a l n 介质材料性能分析 原位生长低温a 1 n 介质层是指在常规的h e m t 材料的a 1 g a n 表面上低温生 长一层a 1 n 作为介质层，图2 3 是材料生长的结构示意图。材料生长中采用4 0 r i m 的低温g a n 层作为成核层，并且在a 1 g a n 势垒层和g a n 缓冲层之间加入了l n m 的a 1 n 插入层，这样可以有效的提高2 d e g 的限域性，使得2 d e g 更好的局限于 沟道中，从而增加面载流子浓度，更可以有效的减小电子在界面处受到的散射， 从而明显的提高2 d e g 的迁移率，增强导电能力。 2 3 n ma 1 0 3 g a o 7 n 势垒层 1 n m m n 隔离层 1 2 u r ng a n 缓冲层 4 0 n ml t g an 成核层 c 面蓝宝石衬底 0 n m 低温a i n 层 2 3 n r na 1 0 3 e a 0 7 n 势垒层 1 n ma i n 隔离层 1 2 u r ng a n 缓冲层 4 0 n t ol t g an 成核层 c 面蓝宝石衬底 ( a ) 常规h e m t 结构( b ) 原位生长低温a l n 介质层结构 图2 3a 1 g a n g a n 异质结材料样品结构示意图 在材料生长完成之后，我们首先对材料的表面形貌进行了测试，图2 4 是使用 原子力显微镜( a f m ) 澳o 得的低温a 1 n 介质层的表面形貌，其表面没有明显的单晶 第二章原位生眭介质材料与器件工艺的研究 原子力台阶，却呈现出明显的多晶颗粒状，这和理论估计的在5 5 0 c 的低温情况下 生长出的a i n 层应该是一种多晶状态相吻合。而由其中的3 d 图形，可以发现， 其表面的起伏较大，较大的表面起伏对器件