晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)電容散射機制?

任艦 蘇麗娜 李文佳

(淮陰師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系,淮安 223600)

(2018年5月29日收到;2018年11月1日收到修改稿)

制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)圓形平面結(jié)構(gòu)肖特基二極管,通過測試和擬合器件的電容-頻率曲線,研究了電容的頻率散射機制.結(jié)果表明:在頻率高于200 kHz后,積累區(qū)電容隨頻率出現(xiàn)增加現(xiàn)象,而傳統(tǒng)的電容模型無法解釋該現(xiàn)象.通過考慮漏電流、界面態(tài)和串聯(lián)電阻等影響對傳統(tǒng)模型進行修正,修正后的電容頻率散射模型與實驗結(jié)果很好地符合,表明晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)電容隨頻率散射是漏電流、界面態(tài)和串聯(lián)電阻共同作用的結(jié)果.

1 引 言

與傳統(tǒng)窄禁帶半導(dǎo)體相比,以GaN為代表的寬禁帶III族氮化物具有高電子飽和速度、高擊穿電場與高熱穩(wěn)定性等優(yōu)越的物理特性.因此,GaN材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)非常適合用來制備高頻大功率電子器件[1?3].特別是自發(fā)極化效應(yīng)顯著的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié),由于能在界面處誘導(dǎo)高濃度的二維電子氣(2DEG),逐漸成為高電子遷移率晶體管(HEMT)的核心結(jié)構(gòu)[4?6].但是,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的廣泛應(yīng)用仍然受到電流崩塌效應(yīng)的限制,在高頻模式下工作時,器件輸出功率無法達(dá)到理論預(yù)測值[7?9].在傳統(tǒng)硅基金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)器件中,電流崩塌主要由材料中的缺陷態(tài)引起,研究人員通過電容-電壓(C-V)曲線的頻率散射行為來表征缺陷態(tài)的密度[10?12].但是,由于材料特性之間的差異,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的電容頻率散射機制與硅基MOS器件并不相同,為了準(zhǔn)確地表征缺陷態(tài),抑制電流崩塌,需要正確地解釋其電容頻率散射機制.

鑒于此,本文首先制備了方便測試電容的圓形平面結(jié)構(gòu)的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管,該結(jié)構(gòu)與HEMT具有等效的柵極電流電容特性;然后通過測試和擬合器件變頻電容-頻率(C-f)特性,分析了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)的電容頻率散射機制.

2 器件制備與測試

采用金屬有機化合物氣相沉積法在藍(lán)寶石襯底上制備晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管,其外延結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,主要包括3μm非摻雜GaN層、18 nm非摻雜In0.17Al0.83N勢壘層和1 nm AlN隔離層.GaN層生長溫度為940?C,壓力為40 Torr(1 Torr≈133.322 Pa),NH3流量為1500 sccm(1 sccm=1 mL/min),V/III比為3250.InAlN層生長溫度為760?C,壓力為200 Torr,TMAl,TMIn和NH3流量分別為2.3μmol/min,5.8μmol/min和1200 sccm,V/III比為6610.在圖1(b)所示的器件平面照片中,圓形肖特基電極采用Pt/Au,直徑為100μm,與歐姆電極的間距為20μm,其微圖形采用標(biāo)準(zhǔn)光刻與剝離(lift-of f)技術(shù)定義;Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸采用在870?C的N2氛圍中退火30 s獲得,且表面覆蓋了150 nm SiN介質(zhì);測試電極電鍍2μm金進行加厚,隔離采用臺面隔離.利用Keithley 4200 SCS精密半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測量晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的電流-電壓(I-V)和C-V特性,根據(jù)室溫C-V(1 MHz)曲線計算,獲得InAlN/GaN異質(zhì)界面的2DEG面密度約為1.23×1013cm?2[13].

圖1 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的(a)橫截面示意圖和(b)光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.1.(a)Schematic cross-section and(b)optical micrograph of the fabricated InAlN/GaN heterojunction Schottky diode.

3 結(jié)果與討論

圖2所示分別為低頻和高頻下的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管C-V頻率散射特性.由圖2(a)可以看出,隨著頻率由50 kHz逐漸增加到250 kHz,器件積累區(qū)電容隨頻率的增加而逐漸降低,該現(xiàn)象符合傳統(tǒng)的HEMT器件電容頻率散射特性[14?16].然而,隨著頻率繼續(xù)增加,積累區(qū)電容隨頻率的增加而快速增加,出現(xiàn)電容強散射現(xiàn)象(如圖2(b)所示).通常情況下,電容頻率散射行為主要由界面態(tài)和勢壘層缺陷態(tài)導(dǎo)致.但是,根據(jù)傳統(tǒng)觀點,器件電容隨著頻率增加應(yīng)單調(diào)減少.很顯然,缺陷態(tài)行為無法解釋高頻下電容隨頻率強散射現(xiàn)象.由于晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)器件是一種重要的高頻大功率應(yīng)用器件,高頻散射將直接影響其高頻工作的可靠性,所以很有必要對該現(xiàn)象進行研究.

圖3所示為零偏壓下晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的C-f曲線(頻率變化范圍為10 kHz至1 MHz).可以看出,隨著頻率逐漸增加,電容先緩慢減小,隨后快速增加,高頻散射非常明顯.該現(xiàn)象會導(dǎo)致器件截止頻率和最大振蕩頻率的降低,影響其高頻工作的穩(wěn)定性.下面將通過數(shù)據(jù)擬合的方法,分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因.

圖2 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管的C-V頻率散射特性 (a)低頻;(b)高頻Fig.2.C-V frequency scattering characteristics of latticematched In0.17Al0.83N/GaN heterojunction Schottky diode:(a)Low frequency;(b)high frequency.

圖3 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管電容的頻率依賴特性Fig.3. Frequency dependence of the capacitance in lattice-matched In0.17Al0.83N/GaN heterostructure Schottky diode.

圖4(a)所示為測試模型,其等效阻抗Z可表示為

其中,Rm和Cm分別為測試模型等效電路的電阻、電容;ω為角頻率.

Miller等[17]指出,GaN材料中存在較高的界面態(tài)缺陷密度,界面態(tài)和串聯(lián)電阻共同作用會導(dǎo)致AlGaN/GaN HEMT產(chǎn)生電容頻率散射行為.其模型的等效電路如圖4(b)所示,其中CB為勢壘電容,RS為串聯(lián)電阻,CP和RP分別為界面缺陷態(tài)等效電阻和等效電容.根據(jù)該模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

考慮到晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的器件結(jié)構(gòu)與AlGaN/GaN HEMT相似,因此該模型被用來擬合C-f實驗數(shù)據(jù).擬合發(fā)現(xiàn),該模型中電容隨頻率增加單調(diào)減小,顯然該模型對解釋晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT積累區(qū)電容增加現(xiàn)象不適用.

Yang和Hu[18]指出,在硅基MOS中電容頻率散射現(xiàn)象主要受到漏電流和串聯(lián)電阻影響,其模型等效電路如圖4(c)所示.其中RB為流過勢壘電流的等效電阻.根據(jù)上述模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

使用該模型對實驗C-f曲線進行擬合,發(fā)現(xiàn)該模型無法擬合實驗數(shù)據(jù),結(jié)果如圖3中藍(lán)色實線所示,該模型無法擬合實驗數(shù)據(jù),因此該模型也不適用.

圖4 電容散射等效模型Fig.4.Equivalent models of capacitance scattering mechanism.

圖5 InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的室溫C-V特性(1 MHz),其中內(nèi)插圖為I-V特性Fig.5.C-V characteristic of InAlN/GaN heterojunction Schottky diode measured at room temperature(1 MHz)with the I-V characteristics plotted in the inset.

圖5 所示為室溫(300 K)下測得的C-V曲線,內(nèi)插圖為相同器件的I-V曲線.由圖5可觀察到以下特性:隨著反向偏壓從0 V逐漸增加到6 V,由于異質(zhì)界面的高濃度2DEG逐漸被耗盡,電容隨偏壓逐漸降低.同樣地,內(nèi)插圖中器件反向漏電流也在6 V時達(dá)到飽和.可以看出,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)反向具有高達(dá)10?4A的漏電流,并且晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)的電容與反向漏電流之間存在直接聯(lián)系.由于In-AlN材料中存在強極化效應(yīng),由此產(chǎn)生的極化電場通常高達(dá)107V/cm,強極化電場會壓縮能帶形成近三角勢壘,從而發(fā)生Fowler-Nordheim隧穿,并形成大漏電流[19].由此我們認(rèn)為在InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)中,較大的漏電流是不可忽視的因素.綜合上面兩個模型,本文對強積累區(qū)電容散射模型進行修正,該模型等效電路如圖4(d)所示.根據(jù)該模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

使用該模型對實驗C-f曲線進行擬合,擬合結(jié)果如圖3中紅色實線所示.可以看出,修正后的模型擬合結(jié)果與實驗結(jié)果符合得很好.其中,幾個重要的參數(shù)擬合結(jié)果分別為:RS=50 ?,RB=817.5 ?,CB=4.04×10?11F,參數(shù)量級基本符合文獻(xiàn)報道值[20].擬合得到CP和RP結(jié)果分別為:CP=2.65×10?5F,RP=0.1 ?,根據(jù)界面等效電容與界面缺陷密度關(guān)系CP=qDP,得到界面缺陷密度約為1.66×1010cm?2·eV?1,根據(jù)時間常數(shù)計算方法τP=RPCP,得到時間常數(shù)為2.65μs.根據(jù)Semra等[21]的報道,AlGaN/GaN異質(zhì)界面缺陷密度量級約為1011—1012cm?2·eV?1,時間常數(shù)為1μs—3 ms,本文獲得的缺陷密度值略低于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)報道結(jié)果,但考慮到InAlN與GaN異質(zhì)界面實現(xiàn)了晶格匹配,理論上InAlN/GaN異質(zhì)界面缺陷密度低于AlGaN/GaN,因此擬合獲得的結(jié)果具有一定的合理性.為了獲得界面等效電容和等效電阻值,擬合時不得不假定界面等效電容CP和等效電阻RP不隨頻率變化.因此,我們認(rèn)為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT積累區(qū)觀察到的電容散射是漏電流、界面態(tài)和串聯(lián)電阻共同影響的結(jié)果.

4 結(jié) 論

本文研究了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的強積累區(qū)電容頻率散射機制.考慮多種因素后對器件變頻C-f特性進行擬合,通過分析發(fā)現(xiàn)電容的頻率散射是漏電流與界面態(tài)俘獲電子共同作用的結(jié)果.該研究結(jié)果將進一步推動InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)器件在高頻大功率領(lǐng)域的應(yīng)用.