柵介質(zhì)的介電特性對AlGaN-GaNMISHEMTs性能影響研究.pdf

1、由于自發(fā)極化和壓電極化作用，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面具有很高濃度的二維電子氣（2DEG），基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的場效應(yīng)晶體管(heterostructure filed-effect-transistors,HFETs，也常稱為高電子遷移率晶體管，high-electron-mobility transistors,HEMTs)具有輸出功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是高頻、高溫、大功率半導(dǎo)體器件的重要候選材料。
　　由于

2、具有優(yōu)異的頻率特性，針對高頻領(lǐng)域應(yīng)用的AlGaN/GaN HEMTs器件常采用MESHEMTs結(jié)構(gòu)（即：金屬-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管，metal-semiconductor high-electron-mobility transistors），然而，其嚴(yán)重的電流崩塌效應(yīng)和較大的柵泄漏電流成為AlGaN/GaN MESHEMTs應(yīng)用的主要問題，柵介質(zhì)的引入（即：金屬-絕緣體-半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管，metal-insulator-s

3、emiconductor high-electron-mobility transistors，MISHEMTs）成為可行的解決之道，它不僅可以有效抑制電流崩塌，而且可極大地降低柵漏電。然而，目前對AlGaN/GaN MISHEMTs器件的研究主要集中在非極性柵介質(zhì)材料對器件性能的影響方面，且僅關(guān)注和利用了柵介質(zhì)的絕緣特性，很少涉及極性柵介質(zhì)在AlGaN/GaN MISHEMTs中的應(yīng)用，柵介質(zhì)極化特性對AlGaN/GaN MISHEM

4、Ts器件性能的影響研究。
　　本論文對比研究了非極性柵介質(zhì)和極性柵介質(zhì)對AlGaN/GaNMISHEMTs特性的影響，非極性柵介質(zhì)選擇Al2O3薄膜作為研究對象，并選用了兩種具有代表性的典型極性介電材料，研究極化特性對AlGaN/GaN MISHEMTs性能的影響，一種極性介電薄膜為摻鈉的Beta氧化鋁（β-Al2O3，sodium-beta-aluminium，簡寫為SBA），該介電材料是在Beta氧化鋁骨架結(jié)構(gòu)中插入帶正電的鈉

5、離子而形成的一種極性介電材料，被歸于電解質(zhì)，也稱為鈉離子導(dǎo)體（電子的絕緣體）；另一種極性介電材料則為鐵電體，考慮到工藝兼容性，本論文選擇了一種新的鐵電體材料—HfTiO鐵電薄膜作為柵介質(zhì)，因此，整個(gè)論文由以下幾方面研究工作構(gòu)成：
　　1、首先，本論文采用分子束外延方法（MBE）在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管源、漏之間沉積Al2O3薄膜，并研制MISHEMTs結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，測量了MISHEMTs

6、特性以及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG濃度、遷移率，對比研究了介電薄膜對MISHEMTs特性以及AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)2DEG輸運(yùn)特性的影響，研究結(jié)果顯示：Al2O3薄膜的沉積使2DEG濃度和遷移率均有所提高，2DEG濃度約增加30％，遷移率約提高23%。器件特性的對比研究也顯示：Al2O3薄膜的引入使AlGaN/GaN器件直流輸出特性得到了顯著提高，與傳統(tǒng)MESHEMTs相比，柵泄漏電流減小了約2個(gè)數(shù)量級，器件最大輸出電流密度從5

7、90 mA/mm提高到790 mA/mm，約提高了34%；0 V柵壓下，器件飽和直流輸出電流密度從360 mA/mm提高到700 mA/mm，約提高了94%；器件最大跨導(dǎo)從120 mS/mm增加到170 mS/mm，約增加了42%。通過高分辨率X射線衍射（HRXRD）對比分析表明：Al2O3薄膜的沉積在 AlGaN勢壘層中引入了張應(yīng)力，從而導(dǎo)致AlGaN/GaN界面2DEG濃度和遷移率的提高。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，論文還進(jìn)一步采用經(jīng)驗(yàn)公式及第一

8、性原理計(jì)算的方法，對以上的影響因素從理論上進(jìn)行了解釋。
　　2、在非極性介質(zhì)（Al2O3薄膜）對AlGaN/GaN界面2DEG輸運(yùn)特性及器件性能影響研究基礎(chǔ)上，通過在MBE生長過程中引入Na的分子束流，從而在Al2O3薄膜中摻入Na。對所生長薄膜的微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示：所生長薄膜為非晶薄膜，X射線光電子能譜（XPS）對薄膜中的Na1s和Al2p分析，結(jié)果顯示與SBA的特征峰位相一致；對所生長薄膜的介電特性測量表明：在1MHz頻率下

9、，薄膜的介電常數(shù)約為50，遠(yuǎn)高于Al2O3薄膜的介電常數(shù)，這說明：Na+在電場作用下產(chǎn)生了電極化，且薄膜的絕緣特性良好，適合作為介質(zhì)材料使用；在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步研制了以SBA薄膜為柵介質(zhì)的AlGaN/GaN MISHEMTs。對器件特性的對比研究顯示：當(dāng)SBA薄膜與AlGaN勢壘層之間的界面特性為AlOx/AlGaN時(shí)，柵介質(zhì)對器件特性的影響與Al2O3柵介質(zhì)的影響規(guī)律相一致，特別是閾值電壓向更加負(fù)的方向移動(dòng)；而當(dāng)SBA薄膜與AlG

10、aN勢壘層之間的界面特性為Na+/AlGaN時(shí)，柵介質(zhì)對器件閾值電壓的影響規(guī)律卻完全不同，界面正電荷使得器件閾值電壓向正方向移動(dòng)了約2 V，從而顯示出極性介質(zhì)與半導(dǎo)體的界面特性對器件性能具有重要影響。
　　3、在初步顯示出極性電介質(zhì)對器件特性影響規(guī)律基礎(chǔ)上，本論文進(jìn)一步研究了另一種典型極性電介質(zhì)—鐵電對AlGaN/GaNMISHEMTs器件特性的影響。采用MBE方法制備了HfTiO薄膜，分別從材料特征、器件特性以及影響機(jī)理等方面開

11、展了研究。材料介電特性研究顯示：HfTiO薄膜具有鐵電性，屬于鉿基鐵電體中的一員，并通過鉿/鈦比的調(diào)整、薄膜沉積溫度的優(yōu)化、薄膜氧含量的調(diào)控等技術(shù)措施優(yōu)化了HfTiO薄膜的鐵電特性。在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步研制了以HfTiO鐵電薄膜為柵介質(zhì)的AlGaN/GaN MISHEMTs。對器件特性研究結(jié)果顯示：HfTiO鐵電薄膜的引入使器件閾值電壓也發(fā)生了向正方向移動(dòng)，從原來的-4 V調(diào)節(jié)到-0.6V。閾值電壓的正向移動(dòng)與溝道2DEG注入并積聚于