e世博网投

   栅绝缘层工艺是GaN基MIS-HEMT器件研制的关键技术。由于制备工艺成熟、绝缘性能好、物理和化学性质稳定等优点,以Al2O3和HfO2为代表的氧化物介质是最常用的GaN基MIS-HEMT器件的栅绝缘层材料。然而,研究表明,栅氧介质与(Al)GaN势垒层界面存在高密度(>10 13 cm -2 eV -1 )的界面态,如图1界面态充/放电效应导致了严重的Vth不稳定现象,这会恶化GaN基电子器件的特性和可靠性,影响电路模块和系统的性能与稳定性。
GaN基MIS-HEMT器件中栅绝缘层与势垒层界面态的充/放电过程示意图  
图1 GaN基MIS-HEMT器件中栅绝缘层与势垒层界面态的充/放电过程示意图:(a)栅压增大时界面态俘获沟道电了,(b)栅压减小时界面态来不及释放电子导致沟道载流子恢复延迟和Vth漂移
 
  GaN基MIS-HEMT器件中,栅氧介质与势垒层之间的界面态是由一层不稳定的界面氧化层引起的,其来源于材料生长和器件工艺过程中的表面氧和水汽吸附,栅氧沉积的初始阶段也可能导致势垒层表面被部分氧化。第一性原理计算证明,氮化物半导体表面极易被氧化,但是跟Ge和GaAs材料类似,氮化物表面自然氧化层并不稳定,只有当GaN中氧含量高于25%时,不稳定的四面体配位Ga-O键才会逐渐转变为稳定的八面体配位结构,晶体结构也逐渐转变为无定形态。通常情况下,氮化物表面氧含量低于25%,氧杂质在纤锌矿GaN中以替位氮原子ON的形式存在,形成浅施主能级(激活能~30-80meV),而在AlxGa 1 - x N材料中可以形成深能级陷阱(x=1时陷阱能级~2eV);水汽在势垒层表面则可以发生电化学反应,形成激活能~0.5-0.6eV的深能级陷阱。这里需要说明的是,在传统的肖特基栅HEMT中,显然也存在界面氧化薄层,但是由于表面与栅金属直接接触,栅电极可以迅速的注入电子以补偿被陷阱俘获的载流子,所以Vth漂移现象不明显。肖特基栅HEMT的这种栅电子注入效应也是引起关态PF漏电的主要因素。
 
  在栅氧介质与势垒层界面还存在大量的固定电荷(~10 13 cm -2 ),这些固定电荷不像界面态那样具有充/放电效应,但是带正电的固定电荷会引起平带电压的负漂,从而使器件阈值电压产生额外的负向漂移,一方面不利于增强型器件的实现,制约了GaN基电子器件在E/D模数字电路、高压开关等领域的应用,另一方面,对于耗尽型器件,需要更大的负压使器件关断,在关态漏电流不变的情况下增加了器件关态功耗。由于栅绝缘层/氮化物界面距离沟道只有20nm左右甚至更近,界面电荷的远程杂质散射会引起沟道载流子迁移率退化,影响器件跨导和功率增益特性。
 
  鉴于GaN基MIS-HEMT器件结构优势以及其遇到的界面问题,近几年,GaN基MIS-HEMT器件界面工程研究已经成为本领域的国际研究热点,主要研究内容即为GaN基MIS-HEMT器件界面处理及其表征技术。

相关阅读