GaN基電子器件勢壘層應(yīng)變與極化研究.pdf

1、GaN基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFETs)由于其禁帶寬度大、臨界擊穿電場強、飽和電子漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及由極化效應(yīng)產(chǎn)生的二維電子氣(2DEG)輸運特性優(yōu)越等特點，非常適合應(yīng)用于抗輻射、高溫、高壓、高頻、大功率電子器件，在無線通信基站、汽車電子、電力傳輸、衛(wèi)星、雷達探測、航空航天、核工業(yè)和單片微波集成電路(MMICs)等國民經(jīng)濟和國防建設(shè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
　　雖然圍繞GaN基電子器件的研究已經(jīng)長達二十幾年，GaN基HFE

2、Ts器件的各項參數(shù)水平有了很大的進步，也有一些器件從實驗室走向了市場，然而，器件可靠性問題仍然是GaN基電子器件大規(guī)模應(yīng)用的一大瓶頸，因此可靠性問題的研究是現(xiàn)如今GaN基電子器件最熱點研究問題之一。器件應(yīng)用中所使用的Ⅲ-族氮化物材料為極性材料，極化效應(yīng)是Ⅲ-族氮化物材料體系有別于其它半導(dǎo)體材料體系的最重要特征，自發(fā)極化和壓電極化可以對應(yīng)變Ⅲ-族氮化物材料的載流子濃度、分布以及復(fù)合產(chǎn)生極大的影響。對于GaN基異質(zhì)結(jié)材料（包括AlGaN/G

3、aN、AlN/GaN以及InAlN/GaN等），上述極化效應(yīng)的影響會變得更加強烈，這些異質(zhì)結(jié)材料，無需任何摻雜，僅僅通過極化應(yīng)力就可以在異質(zhì)界面處的量子阱中產(chǎn)生高達1013cm-2量級的2DEG。研究表明，器件制造過程中的各個工藝過程基本上都會對GaN基HFETs器件勢壘層應(yīng)變分布均勻性產(chǎn)生一定的影響，而勢壘層應(yīng)變分布的不均勻會導(dǎo)致勢壘層極化電荷的分布不均勻，由此產(chǎn)生對溝道2DEG的散射作用，這就是極化庫侖場散射。通過已有的研究我們知道

4、，極化庫侖場散射是GaN基HFETs器件中最重要的散射機制之一，對器件的載流子遷移率有著極其重要的影響。同時，研究表明，器件工作過程中勢壘層應(yīng)變的變化在器件退化以及失效過程中扮演著極其重要的角色。因此，GaN基電子器件勢壘層應(yīng)變與極化的研究對于提高器件性能以及穩(wěn)定性非常有意義。
　　本文首先提出了一種確定GaN基HFETs器件柵下勢壘層應(yīng)變的方法，然后分析了柵極快速熱退火、柵金屬以及柵結(jié)構(gòu)對AlGaN/AlN/GaN HFETs器

5、件性能的影響，主要研究了這些因素對勢壘層應(yīng)變與極化的作用。另外，還對AlN/GaN這種新興異質(zhì)結(jié)材料的蓋帽層和邊歐姆接觸工藝開展了研究，具體包括以下內(nèi)容:
　　1、確定GaN基HFETs器件柵下勢壘層應(yīng)變方法的研究
　　由極化效應(yīng)引起的極化電荷對于GaN基HFETs器件的性能至關(guān)重要，而極化效應(yīng)是與勢壘層應(yīng)變直接相關(guān)的，柵下勢壘層的應(yīng)變直接影響著溝道2DEG特性，然而，由于GaN基異質(zhì)結(jié)材料中勢壘層往往都非常薄，并且由于很厚

6、的柵金屬層的阻擋作用，常規(guī)的應(yīng)變測試方法均無法直接分析得到柵下勢壘層的應(yīng)變信息，因而非常有必要研究一種可以直接確定柵下勢壘層應(yīng)變的方法。我們提出了一種從GaN基HFETs器件的正向電流-電壓(I-V)特性曲線以及電容-電壓(C-V)特性曲線獲取柵下勢壘層應(yīng)變的方法。該方法首先通過對器件電學(xué)特性的分析，從實驗的角度獲取了柵電極下方總的極化電荷面密度，然后通過基本極化理論，推導(dǎo)出了柵電極下方極化電荷面密度，兩者相結(jié)合確定了GaN基HFETs

7、器件柵下勢壘層應(yīng)變的基本信息。運用此種方法，我們分別計算了常規(guī)歐姆接觸和邊歐姆接觸AlGaN/AlN/GaN HFETs器件柵下勢壘層的應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)這兩種器件均是越靠近歐姆接觸區(qū)域，勢壘層張應(yīng)變越弱，為了研究這種現(xiàn)象的成因，我們對器件進行了SEM-EDS測試，分析發(fā)現(xiàn)常規(guī)歐姆接觸工藝對于AlGaN/AlN/GaN HFETs器件的勢壘層應(yīng)變有著極其重要的影響，而邊歐姆接觸工藝由于其相對較低的退火溫度和較小的金屬覆蓋面積，對于由歐姆接觸工藝

8、引起的勢壘層應(yīng)變變化有著很好的緩和作用，邊歐姆接觸工藝的使用可以有效減弱極化庫侖場散射，對于器件電學(xué)特性的提升有著不錯的效果。
　　2、柵極快速熱退火對AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影響的研究
　　我們研究了快速熱退火對于以Ti/Al/Ni/Au和Ni/Au金屬作為柵電極的AlGaN/AlN/GaN HFETs器件電學(xué)性能的影響，對于以Ti/Al/Ni/Au金屬作為柵電極的器件，通過微區(qū)拉曼以及器件電學(xué)性能的

9、測試，我們發(fā)現(xiàn)適度地快速熱退火不僅可以使AlGaN勢壘層的應(yīng)變分布變的均勻一些，從而有效減弱極化庫侖場散射，提高器件2DEG電子遷移率，還可以有效提高器件肖特基勢壘高度，改善器件直流輸出特性。然而，過度地快速熱退火卻不但使上述提到的電學(xué)性能變差，還會使AlGaN勢壘層的應(yīng)變分布重新變的不均勻。對于以Ni/Au金屬作為柵電極的器件，我們發(fā)現(xiàn)在400℃以下退火時，Ni/Au柵電極表現(xiàn)出了非常不錯的熱穩(wěn)定性，柵電容以及柵下2DEG面密度基本未

10、發(fā)生變化。然而，當柵退火溫度進一步提升，達到600℃以及更高時，可以看到，柵下2DEG面密度急劇下降，器件閾值電壓也開始明顯正向漂移，通過計算柵下應(yīng)變我們發(fā)現(xiàn)，較高的退火溫度會對器件勢壘層的晶格結(jié)構(gòu)起到破壞作用，使得器件退化甚至失效，并且退火溫度越高，破壞作用越強。
　　3、柵金屬及柵結(jié)構(gòu)對AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能影響的研究
　　針對柵電極，我們分別研究了不同柵金屬厚度、柵金屬種類、浮柵結(jié)構(gòu)以及分裂柵結(jié)

11、構(gòu)對AlGaN/AlN/GaN HFETs器件性能以及極化庫侖場散射的影響，對于柵金屬厚度的研究，我們制作了三種不同厚度的Ni/Au肖特基柵器件，厚度分別為50 nm/50 nm、50nm/150nm以及50nm/300nm，研究發(fā)現(xiàn)柵金屬厚度對于勢壘層應(yīng)變影響很微弱，對極化庫侖場散射的影響也很小。對于柵金屬種類的研究，我們制作了6種相同厚度的柵金屬，分別為Al/Au、Au、Cu/Au、Pt/Au、Ni/Au以及Fe/Au，研究發(fā)現(xiàn)，柵

12、金屬種類對勢壘層應(yīng)變影響很大，對極化庫侖場散射的影響也非常顯著。對于Al這種可以在常溫下直接和勢壘層進行化學(xué)反應(yīng)的金屬來說，化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致AlGaN勢壘層變薄，使得器件柵下2DEG面密度降低，同時，這種反應(yīng)還會在界面處生成一些蓬松的物質(zhì)，使得柵金屬與2DEG溝道之間的距離拉大，從而導(dǎo)致柵電極對于2DEG的控制能力減弱，使得與其它柵金屬器件相比，器件閾值電壓向負值方向漂移明顯。對于那些不與勢壘層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的金屬來說，柵金屬與勢壘層之間存

13、在著物理相互作用，極化庫侖場散射強度與柵金屬的楊氏模量成反比例關(guān)系。對于浮柵結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了無浮柵、單邊浮柵以及雙邊浮柵結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)加浮柵器件極化庫侖場散射比無浮柵器件要強一些，并且浮柵個數(shù)越多，距離中央柵越近，極化庫侖場散射也越強。對于分裂柵結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計了柵面積一致，不同柵指數(shù)的器件，研究發(fā)現(xiàn)，隨著柵指數(shù)的增加，極化庫侖場散射也在不斷增強，極化庫侖場散射強度的變化主要是由于柵結(jié)構(gòu)不同所引起的器件沿溝道極化電荷不均勻分布區(qū)域數(shù)目的變

14、化引起的，極化電荷不均勻分布主要與不同柵結(jié)構(gòu)所引起的勢壘層應(yīng)變分布的變化有關(guān)。
　　4、AlN/GaN材料蓋帽層結(jié)構(gòu)及器件邊歐姆接觸工藝的研究
　　GaN是目前報道最多的應(yīng)用于GaN基異質(zhì)結(jié)的蓋帽層材料，GaN蓋帽層的研究對于AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料特性的優(yōu)化非常有意義，其厚度直接影響著材料的2DEG面密度以及電子遷移率，通過對3種不同蓋帽層厚度的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的研究，主要包括變溫霍爾測試、原子力顯微鏡(AFM)表

15、面形貌分析以及材料各散射機制的數(shù)值擬合，我們研究發(fā)現(xiàn):很薄的GaN蓋帽層并不能起到有效保護AlN勢壘層的目的，但是，一味地增加GaN蓋帽層厚度，卻也會帶來諸如位錯密度以及界面粗糙度增大的問題，對材料性能產(chǎn)生一系列不利影響，對于勢壘層為3nm的AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料而言，GaN蓋帽層的最優(yōu)厚度應(yīng)該在4nm左右，最后我們還發(fā)現(xiàn)，3nm應(yīng)變AlN勢壘層的a-軸晶格常數(shù)小于GaN層的晶格常數(shù)。
　　另外，通過對邊歐姆接觸AlN/GaN

16、HFETs器件的電學(xué)性能測試，我們分析了邊歐姆接觸工藝對AlN/GaN HFETs器件中極化庫侖場散射的影響，發(fā)現(xiàn)邊歐姆接觸工藝可以大大減弱AlN/GaN HFETs器件中的極化庫侖場散射，這主要是由于邊歐姆接觸金屬與AlN勢壘層的重合面積不僅比常規(guī)歐姆接觸要小一個數(shù)量級，其退火溫度也要比常規(guī)歐姆接觸低150℃左右，因此，在快速熱退火過程中，會有相對較少的金屬原子擴散進入到AlN勢壘層。此外，我們還比較了AlN/GaN與AlGaN/Al