AIN/AIGaN/GaN MIS-HEMT器件直流特性

1. 柵漏電分析

關(guān)態(tài)漏電是制約HEMT器件性能提升的重要因素之一，采用絕緣柵HEMT器件結(jié)構(gòu)可以有效減小器件關(guān)態(tài)漏電。圖1給出了S-HEMT、MIS-HEMT、MOS-HEMT三種器件結(jié)構(gòu)的關(guān)態(tài)柵漏電曲線，漏極電壓Vd設(shè)定在0V，反向柵極電壓從0V掃描至-10V，正向柵電壓掃描至5V。采用AlN和A12O3絕緣層使器件正、反向關(guān)態(tài)漏電都顯著降低，正向?qū)妷禾岣撸f明柵絕緣層質(zhì)量良好。AlN柵絕緣層使器件漏電降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，而同樣厚度的Al2O3絕緣層使器件漏電降低近3個(gè)數(shù)量級(jí)，且柵壓偏置在5V時(shí)仍然沒有發(fā)生正向?qū)ǎ@是因?yàn)闊o定形態(tài)的Al2O3薄膜比AlN絕緣性能更好，理想AlN薄膜的電阻率約為1011-1013Ωcm量級(jí)，而Al2O3薄膜的電阻率可以高達(dá)3×1017cm。另外，Al2O3絕緣層與柵金屬之間電子勢(shì)壘更高，以及Al2O3材料生長工藝更加成熟，都會(huì)導(dǎo)致MOS棚結(jié)構(gòu)抑制漏電效果更好。

圖1 肖特基柵和絕緣柵HEMT器件的關(guān)態(tài)柵泄漏電流

2. 轉(zhuǎn)移與輸出特性

利用Keithley 4200半導(dǎo)體表征系統(tǒng)對(duì)器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了測(cè)試分析，三種器件結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和跨導(dǎo)曲線如圖2所示，測(cè)試中漏壓偏置為10V。肖特基柵HEMT、MIS-HEMT、及MOS-HEMT的閾值電壓分別為-2.4V、-3.2V、-7.6V，20mm厚的Al2O3柵絕緣層使器件閾值電壓負(fù)向漂移了4.4V，這一閾值漂移量與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果類似；然而，對(duì)于MIS-HEMT器件，同樣厚度的AlN柵絕緣層導(dǎo)致的闕值電壓負(fù)漂量僅為0.8V。考慮到Al2O3和AlN材料的介電常數(shù)相近，即MIS-HEMT和MOS HEMT中柵電容對(duì)柵偏置的分壓效果是相當(dāng)?shù)模愿哌_(dá)3.6V的閾值電壓差應(yīng)歸因于兩種柵絕緣層材料與氮化物勢(shì)壘層之間界面特性存在明顯差異，在后面文章中我們將對(duì)柵絕緣層與氮化物勢(shì)壘層之間的界面性能進(jìn)行分析。柵絕緣層沉積前的KOH溶液清洗和原位低損傷等離子體表面預(yù)處理有效減少了絕緣層與勢(shì)壘層界面的陷阱密度，MIS-HEMT和MOS-HEMT器件的閾值電壓回滯量僅為54mV和93mV。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管跨導(dǎo)表示柵對(duì)溝道的控制能力，本征跨導(dǎo)與柵電容和溝道載流子遷移率相關(guān)，非本征跨導(dǎo)還與器件源、漏串聯(lián)電阻相關(guān)。HEMT器件處于關(guān)態(tài)時(shí)，溝道無載流子流動(dòng)，載流子遷移率和跨導(dǎo)為零；柵電壓一旦大于閾值電壓，器件開啟并迅速在異質(zhì)結(jié)界面積累高密度的2DEG，2DEG不受緩沖層和勢(shì)壘層材料電離雜質(zhì)散射的影響，具有極高的遷移率值，器件跨導(dǎo)達(dá)到峰值；當(dāng)器件柵壓繼續(xù)增大，溝道載流子速度達(dá)到飽和并溢出三角形勢(shì)壘進(jìn)入勢(shì)壘層，此時(shí)載流子遷移率包含2D和3D兩個(gè)分量，勢(shì)壘層的電離雜質(zhì)散射作用使載流子遷移率和跨導(dǎo)降低，如圖2（b）所示。

釆用絕緣柵結(jié)構(gòu)后，柵到溝道距離增大，柵控能力減弱，柵電容和跨導(dǎo)值會(huì)相應(yīng)減小，肖特基柵HEMT器件的峰值跨導(dǎo)為270mS/mm，而MOS-HEMT器件的跨導(dǎo)值則大幅降低到203mS/mm，這與大量文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果相符。AlN柵絕緣層的引入不但沒有減小器件跨導(dǎo)，反而使MIS-HEMT器件峰值跨導(dǎo)提高到了289mS/mm，這只能解釋為PEALD沉積的AlN柵絕緣層使柵下區(qū)域溝道載流子遷移率和電子速度顯著提高。PEALD沉積的AIN絕緣層使異質(zhì)結(jié)溝道載流子遷移率提高了一倍多，這完全可以補(bǔ)償柵電容減小導(dǎo)致的跨導(dǎo)降低量；而ALD沉積的Al2O3絕緣層使載流子遷移率提高量有限，最終柵電容減小導(dǎo)致MOS-HEMT器件跨導(dǎo)值降低。

圖2 肖特柵和絕緣柵HEMT器件的（a）轉(zhuǎn)移和（b）跨導(dǎo)特性曲線

圖3給出了三種器件結(jié)構(gòu)的輸出曲線，漏壓從0V掃描至10V，柵壓從關(guān)態(tài)偏置步進(jìn)至3V，步長為1V。制作在藍(lán)寶石襯底上的AIGaN/GaN HEMT器件飽和輸出電流高于1A/mm，柵壓為3V時(shí)S-HEMT、MIS-HEMT、MOS-HEMT的飽和輸出電流分別為1078mA/mm、1085mA/mm、1123mA/mm。如此高的飽和輸出電流可以與SiC襯底上器件或高鋁組分勢(shì)壘層器件性能相比擬，但是藍(lán)寶石襯底上器件自熱效應(yīng)使大漏壓偏置時(shí)輸出曲線下降。另外，對(duì)于肖特基柵HEMT器件，柵壓偏置為3V時(shí)，較大的柵極泄漏電流導(dǎo)致0V漏壓偏置時(shí)輸出負(fù)電流，而絕緣柵HEMT器件則沒有出現(xiàn)這一現(xiàn)象，也即對(duì)于絕緣柵HEMT器件柵壓可以偏置在更大值。

圖3 AIGaN/GaN HEMT器件輸出特性曲線：（a） S-HEMT、（b） MIS-HEMT、（c） MOS-HEMT

3. 2DEG場(chǎng)效應(yīng)遷移率分析

為了解釋PEALD沉積AlN柵絕緣層導(dǎo)致的器件跨導(dǎo)異常增大現(xiàn)象，本文對(duì)比研究了三種器件結(jié)構(gòu)的場(chǎng)效應(yīng)遷移率μFE隨溝道載流子密度的變化關(guān)系。器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率可以通過跨導(dǎo)測(cè)試推導(dǎo)得到，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件工作在線性區(qū)時(shí)（漏電壓偏置Vd非常小），溝道載流子遷移率μFE與溝道電導(dǎo)Gch之間存在下述關(guān)系，

其中電容C用環(huán)形二極管結(jié)構(gòu)測(cè)量得到。本文采用大柵長的Fat-FET結(jié)構(gòu)推導(dǎo)溝道電導(dǎo)，因?yàn)橄啾扔诔Ｒ?guī)HEMT器件結(jié)構(gòu)，fat-FET結(jié)構(gòu)可以減小源、漏串聯(lián)電阻的影響，溝道電導(dǎo)近似等于器件跨導(dǎo)值。Fat-FET的柵長設(shè)計(jì)為30μm，柵寬為100μm，漏壓偏置在0.1V時(shí)的器件跨導(dǎo)曲線如圖4所示。絕緣柵、MIS柵、MOS柵器件的峰值溝道電導(dǎo)分別為2. 1mS/mm、2.5mS/mm、1.6mSmm，Al2O3柵絕緣層使溝道電導(dǎo)大幅降低，而AlN柵絕緣層卻使其有所提高。另外，MIS柵和絕緣柵結(jié)構(gòu)的線性度比MOS柵器件更好，其跨導(dǎo)曲線半高寬高達(dá)2.7V，而MOS柵器件的溝道電導(dǎo)在達(dá)到峰值后急劇減小，曲線半高寬僅為0.9V。

圖5 肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)溝道2DEG面密度隨柵壓的變化關(guān)系

肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的溝道2DEG面密度通過對(duì)C-V曲線積分得到，

其中Vpinch-off指溝道關(guān)斷電壓。對(duì)環(huán)形二極管結(jié)構(gòu)的C-V積分結(jié)果如圖5所示，溝道2DEG面密度在1012cm-2-1013cm-2量級(jí)，符合實(shí)際情況。ALD沉積的Al2O3柵絕緣層使溝道載流子密度有所提高，而PEALD沉積的AlN柵絕緣層導(dǎo)致載流子密度降低。

圖6給出了根據(jù)式（5-1）得到的器件場(chǎng)效應(yīng)遷移率隨2DEG面密度的變化關(guān)系。PEALD沉積AIN柵絕緣層使溝道遷移率大幅提高，而且隨著2DEG密度提高載流子遷移率緩慢下降，這導(dǎo)致MIS-HEMT器件具有較高的峰值跨導(dǎo)和很好的跨導(dǎo)線性度。對(duì)于MOS-HEMT器件，雖然其載流子遷移率峰值高達(dá)2533cm2/V·s，但是隨著載流子面密度的增加遷移率急劇減小，這可能是因?yàn)樵诖髺艍浩孟?D輸運(yùn)受電離雜質(zhì)散射影響較大導(dǎo)致總遷移率減小。對(duì)于氮化物等極性半導(dǎo)體，載流子遷移率主要受遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射μi、聲學(xué)聲子散射μa、光學(xué)聲子散射μo的影響，利用瑪西森定律（ Matthiessen rule）可以將溝道總遷移率表示為，

當(dāng)薄層載流子密度低于5×1012cm-2時(shí)，絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的溝道遷移率由柵絕緣層與氮化物界面電荷的遠(yuǎn)程雜質(zhì)散射主導(dǎo)，所以我們可以推斷MOS-HEMT結(jié)構(gòu)的溝道遷移率下降和跨導(dǎo)降低來源于Al2O3與勢(shì)壘層界面電荷的遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射作用。