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(yán)重的界面問題會(huì)引起器件性能退化和可靠性問題，近年來成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。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(duì)其界面特性進(jìn)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(qiáng)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(shí)間、吹掃時(shí)間、RF功率等工藝參數(shù)，在100℃-300℃工藝溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了AlN薄膜的自限制飽和生長(zhǎng)。AlN薄膜沉積速率約為0.081 nm/cycle，實(shí)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(cè)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。快速熱退火處理使薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性進(jìn)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(duì)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(cè)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(tuán)使2DEG密度降低約10％，遷移率提高約10％。基于表面處理結(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(yùn)特性。研

5、究了10nm表面鈍化層對(duì)異質(zhì)結(jié)溝道特性的影響，Hall測(cè)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(cè)試表明鈍化層對(duì)異質(zhì)結(jié)應(yīng)力作用很小，溝道輸運(yùn)特性變化來源于表面調(diào)制作用。Al2O3鈍化層中含有-OH基團(tuán)，ON使界面態(tài)和2DEG面密度增大;AlN和SiN生長(zhǎng)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(qiáng)。脈沖測(cè)試表明AlN鈍化器件的電流崩塌量?jī)H為6％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)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(fù)向漂移5.2V，而采用AlN柵絕緣層的MIS-HE

7、MT器件Vth僅負(fù)漂了0.8V。AlN柵絕緣層使絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V測(cè)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(yùn)特性和場(chǎng)效應(yīng)遷移率提高，0.5μm柵長(zhǎng)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(dá)到10-10。100μm凹槽柵MIS-HEMT器件的fT/fmax達(dá)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(duì)AlN/勢(shì)壘層和Al2O3/勢(shì)壘層界面電荷進(jìn)行了對(duì)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(shì)壘層兩個(gè)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(cè)試方法更精確，此方法得到了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。PEALD沉積AlN柵絕緣層與勢(shì)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(jí)范圍;ALD沉積Al2O3柵絕緣層與勢(shì)壘層界面ON缺陷使陷阱能級(jí)變深為0.52-0.72eV，態(tài)密度增大到1.6-9.0×1013cm-2eV-1?；诋愘|(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(zhǔn)確。Al2O3與勢(shì)壘層界面電荷密度高達(dá)8.98×1012cm-2，引起平帶電壓和閾值電壓負(fù)漂3.78V;而AlN絕緣層界面