InAlN-AlN-GaN NFETs界面缺陷態(tài)及肖特基特性研究.pdf

1、近年來(lái)，作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，GaN基氮族半導(dǎo)體器件在高溫.高頻.大功率器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，在國(guó)內(nèi)外得到了非常廣泛深入的研究。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(AlGaN/GaNHFETs)是極具代表性的器件結(jié)構(gòu)之一，具有GaN材料的寬帶隙、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高電子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)越性能，從而使其具有高跨導(dǎo)、高飽和電流、高截止頻率、高擊穿電壓等優(yōu)良特性，此外AlGaN/GaN還具有很大的帶

2、階差，很強(qiáng)的極化效應(yīng)，即使不用任何摻雜，不加偏壓，僅通過(guò)自發(fā)極化和壓電極化，就足以在AlGaN/GaN異質(zhì)界面的量子阱中產(chǎn)生高達(dá)～1013/cm2的二維電子氣(2DEG)密度。因此一直是國(guó)際研究GaN器件的重要領(lǐng)域之一，目前已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展包括器件性能和工藝制備技術(shù)。
　　 然而，由于AlGaN和GaN基板材料之間的晶格失配使得AlGaN勢(shì)壘層存在較強(qiáng)的張應(yīng)變和壓電極化，在電場(chǎng)作用下的逆壓電效應(yīng)嚴(yán)重影響了器件的可靠性，加之A

3、lGaN和GaN晶格失配導(dǎo)致的缺陷也使器件的可靠性受到影響。InAlN作為一種新型的勢(shì)壘層材料，在其In組分為0.17～0.18時(shí)與GaN晶格匹配，故沒(méi)有應(yīng)力及壓電極化的產(chǎn)生，從而可以提高器件的可靠性。同時(shí)在超薄的勢(shì)壘層下由于很高的AL組分（Al組分約為0.82）仍有由于自發(fā)極化而產(chǎn)生很高的二維電子氣面密度，非常適合于毫米波功率器件的制備。由于AlN和InN的生長(zhǎng)溫度差別大(AlN高溫生長(zhǎng)，InN低溫生長(zhǎng))，而且，AlN和InN的晶格常

4、數(shù)、鍵長(zhǎng)和熱穩(wěn)定性差別較大，使得InAlN薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中很容易出現(xiàn)相分離和組分不均勻現(xiàn)象，因此，外延生長(zhǎng)高質(zhì)量的InAIN材料非常困難。InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(InAlN/GaNHFETs)研究始于2000年，目前InAlN/GaNHFETs的頻率特性已經(jīng)取得了很好的成果，特征頻率可以突破370GHz（在柵長(zhǎng)Lg=30nm的條件下），方塊電阻為260/□，載流子密度可達(dá)1.72×1013cm-2，遷移率1240cm2/(v

5、s)。
　　 雖然InAlN和GaN有良好的晶格匹配（對(duì)應(yīng)In組分0.17～0.18），但有關(guān)InAlN/AlN/GaN異質(zhì)結(jié)界面缺陷態(tài)的研究相對(duì)較少。本論文開(kāi)展了InAlN/AlN/GaNHFETs異質(zhì)界面缺陷態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)在InAlN/AIN/GaN異質(zhì)界面依然存在著較高密度的界面缺陷態(tài)，論文中對(duì)這些較高密度的界面缺陷態(tài)進(jìn)行了分析和研究。InAlN/AlN/GaNHFETs中的串聯(lián)電阻對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)器件也是很重要的一個(gè)參數(shù)，小的

6、串聯(lián)電阻可降低功耗增大器件輸出電流，同時(shí)電阻越小就意味著器件時(shí)間延遲就越小，從而能夠提高器件的頻率特性。很多研究表明將傳統(tǒng)漏極歐姆接觸工藝改為肖特基漏極工藝后，AlGaN/GaNHFETs的器件特性得到了很大改善，比如擊穿電壓提升很多，柵漏串聯(lián)電阻也有了較大的降低。為此，本論文也研究了肖特基漏極工藝和歐姆接觸漏極工藝對(duì)柵漏串聯(lián)電阻的影響。具體研究包括以下內(nèi)容:(
　　 )1、InAlN/AlN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)研究。

7、摡述了計(jì)算界面缺陷態(tài)密度的常用方法-平行電導(dǎo)法。通過(guò)對(duì)器件變頻電容-電壓(CV)，變頻電導(dǎo)-電壓(GV)和電流-電壓IV測(cè)試，運(yùn)用平行電導(dǎo)法計(jì)算得到了器件的界面缺陷態(tài)信息包括缺陷態(tài)密度、時(shí)間常數(shù)和界面缺陷能級(jí)。分別計(jì)算了不同尺寸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs和In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)。研究表明，在In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs和In0.17Al0.83N

8、/AlN/GaNHFETs中依然存在著較高密度的界面缺陷態(tài)密度而且界面缺陷態(tài)密度的數(shù)量級(jí)與AlGaN/AlN/GaNHFETs的相接近，論文給出了界面缺陷態(tài)產(chǎn)生的幾種可能性原因;不論是圓形器件還是方形器件，界面缺陷態(tài)密度之間的差距不大，說(shuō)明器件尺寸對(duì)界面缺陷態(tài)影響不大;在本文的生長(zhǎng)條件下制備的器件中In組分為18％的InAlN與GaN晶格匹配度應(yīng)該更好，In組分為17％時(shí)，界面缺陷態(tài)變化規(guī)律和AlGaN/AlN/GaNHFETs很相似;

9、當(dāng)負(fù)柵偏壓向零柵偏壓趨近時(shí)，發(fā)現(xiàn)InAlN/AIN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)密度也是逐漸增大的，其原因歸于逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致AIN薄層部分弛豫所致。(
　　 )2、InAlN/AlN/GaNHFETs肖特基漏極串聯(lián)電阻研究。論文介紹了計(jì)算肖特基接觸下串聯(lián)電阻的方法-功耗法，并且通過(guò)和傳統(tǒng)HFET方法計(jì)算串聯(lián)電阻比較，發(fā)現(xiàn)功耗法在計(jì)算InAlN/AlN/GaNHFETs的串聯(lián)電阻時(shí)同樣適用。論文設(shè)計(jì)了不同尺寸器件結(jié)構(gòu)的的In0.1

10、8Al0.82N/AlN/GaN肖特基漏極HFETs和源漏均為歐姆接觸的In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs進(jìn)行柵漏間串聯(lián)電阻的對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電阻的變化規(guī)律與AlGaN/GaNHFETs串聯(lián)電阻變化規(guī)律不太相同，有其復(fù)雜性，器件尺寸效應(yīng)比較顯著:當(dāng)柵長(zhǎng)與源漏間距比值很?。ù蠹s0.1～0.2）時(shí)或者柵長(zhǎng)小到一定程度（10μm以下），肖特基漏極工藝后，漏端串聯(lián)電阻比源漏均為歐姆接觸的In0.18Al0.82N/AlN

11、/GaNHFETs的漏端串聯(lián)電阻有所降低;當(dāng)柵長(zhǎng)與源漏間距比值變大或柵長(zhǎng)變大時(shí)，肖特基漏極工藝后，漏端串聯(lián)電阻相比傳統(tǒng)HFETs的漏端串聯(lián)電阻增大很多。論文通過(guò)計(jì)算分析了不同尺寸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件的二維電子氣密度和二維電子遷移率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)總體來(lái)講源漏均為歐姆接觸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs的二維電子氣密度比In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs的二維電子氣密度大