界面處理對AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件動態(tài)特性的影響

韓 軍 , 趙佳豪 , 趙 杰, , 邢艷輝*, 曹 旭, 付 凱, 宋 亮, 鄧旭光 , 張寶順

(1. 北京工業(yè)大學信息學部 光電子技術省部共建教育部重點實驗室, 北京 100124；2. 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所 納米器件與應用重點實驗室, 江蘇 蘇州 215123)

1 引 言

GaN作為第三代半導體的代表，具有高禁帶寬度、高擊穿電場、高電子遷移率、以及耐酸堿等特點。以AlGaN和GaN異質結結構制備的高電子遷移率晶體管，由于極化效應產生的天然的高濃度、高遷移率的二維電子氣，在功率開關器件的大功率及高頻性能方面有很好的應用前景[1-4]。MIS-HEMT器件可以有效地減小器件的柵極漏電，提高耐壓，提高柵驅動能力。但是由于柵介質的引入，產生新的界面，界面質量給器件的應用帶來新的問題，影響器件的可靠性和閾值回滯等。Eller等[5]詳細報道了對于GaN表面的處理過程，包括濕法化學處理[6]、真空退火處理[7]、氣體氛圍下退火處理[8]及離子束、等離子體處理[9-10]等。GaN材料表面存在含O的化合物和N空位[2,11]，這兩種缺陷態(tài)成為影響界面質量的主要因素，目前的報道中，集中于使用含N等離子體來處理器件表面[12-14]，主要作用機理為去除O雜質和補充N空位。Hashizume[15]在器件鈍化作用前使用N2作為等離子體處理樣品表面，得到了很高質量的鈍化結果，而且界面態(tài)濃度下降。Romero[16]通過原位含氮氣等離子體預處理，器件的電流崩塌、輸出功率、增益等特性取得了非常好的效果。

在本文研究中，我們對AlGaN/GaN MIS-HEMT器件工藝過程中的界面處理進行優(yōu)化比較，實驗利用等離子體預處理研究不同氣體(N2和NH3)及不同預處理時間對器件直流性能和動態(tài)特性的影響，并在該研究基礎上，繼續(xù)引入AlN柵介質插入層進行界面處理，研究采用AlN柵介質插入層進行界面處理對器件動靜態(tài)特性的影響。

2 實 驗

AlGaN/GaN HEMT外延材料是通過金屬有機物化學氣相沉積技術在Si(111)襯底上生長的，外延結構依次為成核層、GaN緩沖層和AlGaN勢壘層。器件的制備工藝過程為：(1)界面處理過程；(2)柵介質鈍化層制備，采用LPCVD沉積SiNx作為柵介質，主要考慮其具有良好的穩(wěn)定性和漏電[7]，利用SiH2Cl2和NH3作為Si源和N源，溫度780 ℃；(3)注入隔離，采用F離子進行注入隔離；(4)歐姆接觸制備，利用磁中性環(huán)路放電刻蝕SiNx形成窗口，電子束蒸發(fā)沉積Ti/Al/Ni/Au為20/130/50/50 nm，N2氛圍下850 ℃退火30 s形成歐姆接觸；(5)柵電極制備，利用金屬熱蒸發(fā)沉積Ni/Au為50/10 nm制備柵電極。圖1(a)顯示的是AlGaN/GaN MIS-HEMT器件基本結構示意圖，器件柵介質層厚度為20 nm，器件柵長為2 μm，柵寬為100 μm，柵漏距離為16 μm，柵源距離為4 μm。

其中對于界面處理工藝過程，設計了實驗Ⅰ：采用不同預處理氣體N2和NH3對AlGaN/GaN HEMT表面預處理，預處理時間均為5 min，實驗分別設置為樣品A和樣品B。在實驗I基礎上設計實驗方案Ⅱ：選取N2作為預處理氣體，研究不同預處理時間對AlGaN/GaN MIS-HEMT器件的影響，設置樣品C、D、E分別預處理的時間為0，10，30 min。上述等離子體預處理溫度為350 ℃，壓強為266 Pa(2 000 mtorr)，RF功率為60 W，LF功率為50 W。

圖1 (a)實驗器件基本結構示意圖；(b)引入插入層后的器件結構示意圖。

Fig.1 (a) Schematic of devices for different pre-treatment. (b) Schematic of device structure for sample with insertion layer.

為進一步改善AlGaN/GaN MIS-HEMT器件性能，在上述實驗的基礎上，設計實驗Ⅲ：采取PEALD生長的AlN作為柵介質插入層，設置樣品F、G、H，引入AlN插入層的器件結構示意圖為圖1(b)。樣品F作為空白對照組未引入插入層界面處理過程，樣品G和樣品H利用PEALD生長3 nm AlN，TMAl為Al源，N2為N源，生長溫度300 ℃。樣品H在柵介質沉積后于N2氛圍下1 000 ℃退火2 min。樣品柵介質LPCVD-SiNx12 nm。器件尺寸分別為：柵長2 μm，柵寬100 μm，柵漏距離30 μm，柵源距離3 μm。

每組實驗均采用安捷倫B1505A進行測試表征。

3 結果與討論

3.1 界面預處理氣體的影響

圖2是N2和NH3預處理器件的轉移輸出曲線，從圖2中可以看出不同的預處理氣體對器件的直流特性具有明顯的影響。N2和NH3等離子體預處理之后器件的峰值跨導分別是64.6 mS/mm和70.7 mS/mm，飽和電流分別為579.3 mA/mm和550 mA/mm。N2等離子體預處理的器件跨導峰值較NH3等離子體預處理器件低，但是飽和電流有所增加。在圖2中還看到，相比于N2等離子體預處理，NH3等離子體預處理的實驗結果中存在飽和電流下降的現(xiàn)象，這與Kim[12]報道的一致，究其原因是在NH3在較低功率下產生等離子體的同時會產生一個H+的鈍化效果。類似的鈍化對于器件的RF性能會有所提升，但對器件的DC特性有退化，Hashizume[17]和Romero[16]的研究已經證明了這一點。為了進一步對比采用N2和NH3不同預處理氣體對表面態(tài)引起的器件性能退化作用，實驗對樣品A和樣品B進行了電流崩塌的表征。圖3分別顯示了關態(tài)下漏極電壓10，50，100，200，300 V下的電流崩塌。從圖3中可以看到在不同的漏極偏壓下，N2等離子體預處理器件的電流崩塌因子明顯較NH3等離子體預處理的小，N2等離子體預處理器件在偏壓100 V時崩塌因子最大值為35.6，NH3等離子體預處理器件為57.5；在偏壓300 V時，NH3等離子體預處理器件的崩塌因子最大值為85.3，N2等離子體預處理器件為19.1。對比器件的動靜態(tài)性能，采用N2等離子體預處理能夠有效地提高器件的動態(tài)性能。

圖2 N2和NH3等離子體預處輸出曲線理器件轉移輸出曲線對比。(a)轉移曲線;(b)輸出曲線。

Fig.2 Ttransfer and output curves for sample A with N2plasma and sample B with NH3plasma. (a) Transfer curves. (b) Output curves.

圖3 N2和NH3等離子體預處理器件電流崩塌對比

Fig.3 Current collapse for sample A with N2plasma and sample B with NH3plasma

3.2 界面預處理時間的影響

圖4給出了不同預處理時間下，器件轉移輸出特性對比。結果顯示不同預處理時間對樣品的基本電學性能影響不明顯，預處理后器件的靜態(tài)性能沒有大的提高。采用pulse-DC表征器件的動態(tài)性能。器件測試脈沖是(5 ms, 3 ms)，即關態(tài)偏壓施加的時間是3 ms，測試周期是5 ms，器件關態(tài)偏壓為(VD:50 V,VGS:-20 V)。圖5中展示了不同時間預處理器件的直流/脈沖輸出電流曲線對比。相比于靜態(tài)輸出電流，C、D、E樣品的脈沖輸出電流都發(fā)生了明顯下降，其中未經過N2等離子體預處理的樣品C下降最為嚴重，預處理時間10 min的樣品D結果最好，樣品C、D及樣品E的飽和電流下降幅度分別為306.1，99.1，184.5 mA/mm。該結果表明利用N2等離子體預處理能夠明顯地減小器件界面導致的性能退化。對比預處理10 min的樣品D和處理30 min的樣品E的結果，發(fā)現(xiàn)長時間的預處理對器件的性能有一定的損害，主要原因是長時間的預處理導致表面有正電荷或者新的施主態(tài)的積累，使得器件動態(tài)性能下降[18]。

圖4 不同預處理時間下器件轉移輸出特性曲線。(a)轉移曲線；(b)輸出曲線。

圖5 直流、脈沖輸出曲線對比。(a)樣品C；(b)樣品D；(c)樣品E；(d)實驗樣品直流/脈沖下飽和電流對比。

Fig.5 Comparision of pulsedI-Vcharacteristics. (a) Sample C. (b) Sample D. (c) Sample E. (d) Comparison of saturation output current density between pulsed and DC.

3.3 界面柵介質插入層的影響

圖6展示了器件的轉移輸出特性對比。為了更明顯地顯示，將樣品F、G的對比結果顯示于圖6(a)、(b)，將樣品G、H的對比結果顯示于圖6(c)、(d)。樣品F、G和H閾值電壓分別為-6.46,-7.62 ,-7.04 V，由此看出采用AlN柵介質插入層導致了器件的閾值向負漂移，是因為引入AlN插入層會在表面形成極化正電荷，影響閾值電壓。圖6中給出了樣品F、G和H導通電阻分別為13.8，15.7，20.6 Ω·mm。和樣品F比較，樣品G和H導通電阻增加的原因可能是引入AlN介質插入層會造成導通電阻在一定范圍內退化，從而使飽和電流下降[19-20]。觀察圖6(c)，發(fā)現(xiàn)樣品H中，從-15 V掃到5 V的正向及從5 V回掃到-15 V的轉移曲線回滯明顯消除，而沒有高溫退火的樣品G中回滯現(xiàn)象明顯。圖7給出了實驗樣品的正向閾值與負向閾值的對比，器件的閾值在回掃過程中會出現(xiàn)正向漂移，F(xiàn)、G和H器件的閾值回滯ΔVth(Vth負向-Vth正向)分別為411，506，111 mV。和樣品F相比，樣品H的ΔVth降低72.99%，可以看出采用退火后AlN柵介質插入層界面處理的器件閾值回滯明顯消除，說明由界面引起的器件性能退化得到控制。另外，未經過退火的AlN介質插入層的界面處理的器件G閾值回滯反而增大，這可能是AlN材料中存在缺陷導致的。經過1 000 ℃的退火過程的樣品H，AlN材料存在重結晶過程，提高了AlN材料質量，改善了界面質量。

圖6 樣品轉移、輸出特性曲線對比。(a、b)樣品F、G對比；(c、d)樣品G、H對比。

Fig.6 Comparison of transfer and output curves for samples. (a， b) Sample F and sample G. (c， d) Sample G and sample H.

圖7 樣品F、G、H正回掃閾值回滯對比。

Fig.7Vthhysteresis for sample F, sample G and sample H.

圖8給出了樣品F、G、H電流崩塌對比。對比樣品F和G數(shù)據，可以看出未經過退火處理的AlN插入層對器件的電流崩塌的改善不明顯，這一結論同圖7中器件閾值回滯變化相一致。對比樣品G與H可以看出，器件的電流崩塌得到了很好的提高，900 V下電流崩塌因子由樣品G中的42.04下降到樣品H的4.76，抑制效果明顯。因此利用退火AlN作為柵介質插入層進行界面處理，能夠有效改善AlGaN/GaN MIS-HEMT器件界面，提高界面質量，抑制電流崩塌，提高器件可靠性。

圖8 樣品F、G、H電流崩塌對比。

Fig.8 Current collapse for sample F, sample G and sample H.

4 結 論

本文研究了AlGaN/GaN MIS-HEMT器件制備過程中不同界面處理對其性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，經過N2等離子體預處理較NH3等離子體預處理能夠降低器件的電流崩塌因子，提高器件的可靠性，在該研究基礎上優(yōu)化了N2等離子體預處理時間，實驗結果顯示10 min等離子體預處理能夠有效地提高器件脈沖下電流。進一步引入AlN柵介質插入層，實驗發(fā)現(xiàn)利用AlN插入層及退火工藝能夠有效地改善AlGaN/GaN MIS-HEMT器件界面質量，抑制電流崩塌，提高器件可靠性，器件的閾值回滯從411 mV減小至111 mV，實現(xiàn)在關態(tài)應力900 V下將器件的電流崩塌因子由42.04下降到4.76。