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個數(shù)量級，而同樣厚度的Al2O3絕緣層使器件漏電降低近3個數(shù)量級，且柵壓偏置在5V時仍然沒有發(fā)生正向?qū)ǎ@是因為無定形態(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，而Al2O3薄膜的電阻率可以高達3×1017cm。另外，Al2O3絕緣層與柵金屬之間電子勢壘更高，以及Al2O3材料生長工藝更加成熟，都會導致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半導體表征系統(tǒng)對器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性進行了測試分析，三種器件結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移和跨導曲線如圖2所示，測試中漏壓偏置為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向漂移了4.4V，這一閾值漂移量與文獻報道結(jié)果類似；然而，對于MIS-HEMT器件，同樣厚度的AlN柵絕緣層導致的闕值電壓負漂量僅為0.8V?？紤]到Al2O3和AlN材料的介電常數(shù)相近，即MIS-HEMT和MOS HEMT中柵電容對柵偏置的分壓效果是相當?shù)?，所以高達3.6V的閾值電壓差應歸因于兩種柵絕緣層材料與氮化物勢壘層之間界面特性存在明顯差異，在后面文章中我們將對柵絕緣層與氮化物勢壘層之間的界面性能進行分析。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處理有效減少了絕緣層與勢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。

場效應晶體管跨導表示柵對溝道的控制能力，本征跨導與柵電容和溝道載流子遷移率相關(guān)，非本征跨導還與器件源、漏串聯(lián)電阻相關(guān)。HEMT器件處于關(guān)態(tài)時，溝道無載流子流動，載流子遷移率和跨導為零；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，器件跨導達到峰值；當器件柵壓繼續(xù)增大，溝道載流子速度達到飽和并溢出三角形勢壘進入勢壘層，此時載流子遷移率包含2D和3D兩個分量，勢壘層的電離雜質(zhì)散射作用使載流子遷移率和跨導降低，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，柵電容和跨導值會相應減小，肖特基柵HEMT器件的峰值跨導為270mS/mm，而MOS-HEMT器件的跨導值則大幅降低到203mS/mm，這與大量文獻報道結(jié)果相符。AlN柵絕緣層的引入不但沒有減小器件跨導，反而使MIS-HEMT器件峰值跨導提高到了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，這完全可以補償柵電容減小導致的跨導降低量；而ALD沉積的Al2O3絕緣層使載流子遷移率提高量有限，最終柵電容減小導致MOS-HEMT器件跨導值降低。

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

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)偏置步進至3V，步長為1V。制作在藍寶石襯底上的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壘層器件性能相比擬，但是藍寶石襯底上器件自熱效應使大漏壓偏置時輸出曲線下降。另外，對于肖特基柵HEMT器件，柵壓偏置為3V時，較大的柵極泄漏電流導致0V漏壓偏置時輸出負電流，而絕緣柵HEMT器件則沒有出現(xiàn)這一現(xiàn)象，也即對于絕緣柵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場效應遷移率分析

為了解釋PEALD沉積AlN柵絕緣層導致的器件跨導異常增大現(xiàn)象，本文對比研究了三種器件結(jié)構(gòu)的場效應遷移率μFE隨溝道載流子密度的變化關(guān)系。器件的場效應遷移率可以通過跨導測試推導得到，當場效應晶體管器件工作在線性區(qū)時（漏電壓偏置Vd非常?。?，溝道載流子遷移率μFE與溝道電導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)測量得到。本文采用大柵長的Fat-FET結(jié)構(gòu)推導溝道電導，因為相比于常規(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，溝道電導近似等于器件跨導值。Fat-FET的柵長設計為30μm，柵寬為100μm，漏壓偏置在0.1V時的器件跨導曲線如圖4所示。絕緣柵、MIS柵、MOS柵器件的峰值溝道電導分別為2. 1mS/mm、2.5mS/mm、1.6mSmm，Al2O3柵絕緣層使溝道電導大幅降低，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，其跨導曲線半高寬高達2.7V，而MOS柵器件的溝道電導在達到峰值后急劇減小，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C-V曲線積分得到，

其中Vpinch-off指溝道關(guān)斷電壓。對環(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，符合實際情況。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）得到的器件場效應遷移率隨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，這導致MIS-HEMT器件具有較高的峰值跨導和很好的跨導線性度。對于MOS-HEMT器件，雖然其載流子遷移率峰值高達2533cm2/V·s，但是隨著載流子面密度的增加遷移率急劇減小，這可能是因為在大柵壓偏置下3D輸運受電離雜質(zhì)散射影響較大導致總遷移率減小。對于氮化物等極性半導體，載流子遷移率主要受遠程電離雜質(zhì)散射μi、聲學聲子散射μa、光學聲子散射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，

當薄層載流子密度低于5×1012cm-2時，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程雜質(zhì)散射主導，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降低來源于Al2O3與勢壘層界面電荷的遠程電離雜質(zhì)散射作用。