絕緣柵HEMT器件中除了存在界面態外，柵絕緣層還會在界面引入固定電荷和體電荷，研究表明柵絕緣層與氮化物勢壘層之間界面固定電荷密度可以高達1013cm-2量級。這些固定電荷不具有充放電效應，也即不會導致器件閾值電壓不穩定，但是固定電荷帶正點量會引起器件閾值電壓負向漂移，本研究中MOS-HEMT與MIS-HEMT器件相比具有更大的閾值電壓負向漂移，就是因為Al2O3與勢力層界面固定電荷密度高。閾值電壓負漂非常不利于增強型器件的實現，而且為了使器件關斷則需更大的負電壓，器件關態漏電增加了系統的功耗。另外，柵絕緣層/氮化物界面距離溝道只有20nm左右甚至更近，界面電荷的遠程雜志散射會引起溝道載流子遷移率退化，嚴重影響器件跨導和功率增益特性。

由于界面固定電荷沒有充放電效應，所以利用回滯曲線或變頻方法無法提供界面固定電荷信息，平帶電壓VFB漂移是常用的用于計算界面固定電荷的方法。本文首先結合能帶結構建立了肖特基柵和絕緣柵HEMT器件的平帶電壓解析模型，然后考慮柵絕緣層和勢壘層界面電荷對兩個模型進行對比，提取出了MIS-HEMT和MOS-HEMT兩種器件的有效界面電荷密度。

1. 平帶電壓解析模型

圖1 AlGaN/GaN異質結構能帶結構及電荷分布示意圖

在半導體器件結構中，金屬與半導體之間存在功函數差、界面存在電荷等原因都會使零偏置情況下溝道處半導體表面能帶發生彎曲，即處于非平帶狀態。要想使半導體表面能帶與體內齊平，需要外加偏置電壓，稱為平帶電壓。AlGaN/GaN異質結構的能帶結構和界面電荷分布如圖1所示，其中φs是表面勢壘高度，Vb是勢壘層內建電勢，ΔEc是異質結界面導帶帶階，qφF是GaN體內費米能級相對于導帶底的位置，P1=P2是極化電荷，Nsd代表勢壘層表面施主態。由于GaN帽層和AIN界面插入層只有1~2nm，在能帶和電荷計算過程忽略其影響。功函數調制和極化效應使異質結界面能帶彎曲，形成類三角形的勢阱，勢阱深度即對應于平帶電壓的絕對值，同時決定了界面2DEG面密度ns的大小。根據導帶結構示意圖可以得出Ni/AlGaN/GaN肖特基異質結構的平帶電壓與能帶其他參數存在如下關系式，

其中Np是施主濃度。對于GaN基器件，緩沖層具有2×1016cm-3的高濃度背景載流子，要實現強反型意義下的完全關斷需要額外加較大的偏置，所以通常認為溝道處于平帶時，即2DEG耗盡時對應的柵壓為閾值電壓，所以文獻報道中常用（6-9）直接表示器件的閾值電壓。

圖2 AlGaN/GaN絕緣柵異質結構能帶及電荷分布示意圖

圖2給出了絕緣柵異質結構的導帶即界面電荷分布示意圖，與肖特基柵結構相比，絕緣層在導帶變化中引入了額外的兩個變量，絕緣層與勢壘層間的帶階ΔEc2和絕緣層內建電勢qΔVFB。理想情況下零偏時絕緣層兩端沒有電勢差，但是絕緣層與勢壘層之間存在界面電荷，引起絕緣層導帶傾斜和器件平帶電壓漂移，絕緣柵異質結構平帶電壓可以表示為，

其中上標MIS表示此公式適用于絕緣柵結構。絕緣層界面電荷包含界面固定電荷、絕緣層體電荷、界面態（僅被電子占據的部分能引起平帶漂移）、勢壘層表面施主態、以及表面極化電荷，假設表面施主態被極化電荷完全補償，并且絕緣層體電荷均勻分布，則界面電荷引起的平帶電壓漂移表達式為，

界面固定電荷、界面態、絕緣層體電荷都會對平帶電壓漂移產生影響，無法單獨提取某一種電荷的密度或濃度，所以本文引入有效界面電荷密度Neff這一概念。

已經得出了肖特基柵和絕緣柵異質結構器件的平帶電壓公式，將兩者進行對照即可提取出絕緣層界面電荷密度。第四章中拉曼測試表明表面絕緣層對異質結產生的應力很小，對極化電荷的影響可以忽略不計，所以將式（2）代入式（4）可以得到，

接下來即可利用式（6）所示的解析模型來推導絕緣層界面電荷密度。

2. 界面電荷計算

上文已經建立了絕緣柵器件界面電荷計算的解析模型，接下來就是要確定器件平帶電壓及其他各項能帶參數。本文通過1/（C/Cac）2~V及其微分曲線來推導器件平帶電壓，如圖3所示，其中Cac表示積累區電容。隨著偏置電壓減小低于VFB，電容迅速降低，1/（C/Cac）2~V曲線在V=VFB處出現拐點，此拐點在微分曲線中對應于最大的下降斜率。可以注意到關態時微分曲線存在較大的振蕩，這是因為關態電容在pF量級，受噪聲影響較大。半對數坐標系中C-V曲線顯示，在通常所認為的閾值電壓（線性坐標系中C-V曲線拐點）以下，器件并沒有完全關斷，而是隨著電壓繼續減小使背景電子不斷耗盡，所以以前的文獻中用公式（2）和（4）直接來表示閾值電壓是不準確的。

圖3 AlGaN/GaN異質結構的C-V測試及平帶電壓推導曲線

利用電容及其微分曲線提取的AlGaN/GaN異質結構的平帶電壓為-2.45V，與C-V曲線的拐點相比正漂了0.05V。絕緣柵器件的平帶電壓推導曲線如圖4所示，MIS柵和MOS柵結構的平帶電壓分別為-3.25V和-7.35V。對于三種柵結構的異質結器件，取Ni/AlGaN、Ni/AIN、Ni/Al2O3接觸的表面勢壘高度分別為0.95eV（通過I-V曲線擬合得到）、3.12eV、3.5eV，AlGaN/GaN、AIN/AlGaN、Al2O3/AlGaN之間的導帶帶階分別為0.77eV、1.81eV、1.36eV，GaN體內費米能級位置qφF=0.3eV。將三種結構的平帶電壓和能帶參數代入式（5），得到AIN/III-N和Al2O3/III-N界面及絕緣層電荷引起的平帶電壓漂移量分別為0.32V和-3.78V，界面有效電荷密度分別為-1.18×1012cm-2和8.98×1012cm-2。ALD沉積的Al2O3絕緣層界面電荷引起平帶電壓負漂，與通常的絕緣柵器件閾值電壓負漂現象相一致，而且界面固定電荷密度高于8.98×1012cm-2；但是PEALD沉積的AIN絕緣層界面電荷卻引起平帶電壓正向漂移，與通常絕緣層界面固定電荷引起閾值電壓負漂這一預測不符，這是因為AIN與勢壘層界面固定電荷極低，界面電荷電量以深能級界面態為主導。

圖4 （a）MIS柵和（b）MOS柵異質結構的C-V測試及平帶電壓推導曲線

另外，根據上述研究結果還可以解釋表面鈍化層對2DEG飽和面密度的調制作用，Hall測試表明PEALD沉積AlIN表面層使2DEG密度降低，而ALD沉積的Al2O3提高了2DEG密度。2DEG密度與溝道能帶彎曲程度即平帶電壓相關，拉曼測試表明表面鈍化層對極化效應即勢壘層能帶傾斜影響不大，則2DEG的調制作用來源于V和AVFB兩項。計算得到VoS、VoMIS、VoMOS分別為-0.12V、0.24V、1.07V，即不考慮絕緣層界面電荷影響時表面層能帶調制使溝道能帶彎曲程度減弱，對2DEG有耗盡作用。PEALD沉積AlN絕緣層界面帶有效負電荷，對2DEG產生進一步耗盡作用，最終表現為PEALD沉積AIN表面層使2DEG濃度大幅降低；但是低密度2DEG使電子間相互散射作用減弱，而且界面固定電荷密度極低，2DEG遠程電離雜質散射作用也減弱，大大提高了載流子遷移率。對于ALD沉積的Al2O3絕緣層，界面高密度的固定電荷密度對2DEG密度有提高的作用，補償了能帶調制對2DEG的耗盡作用，最終表現為2DEG提高；并且溝道電子散射和遠程電離雜質散射作用增強使溝道載流子遷移率大幅度退化。

審核編輯：郭婷