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1. 湿法处理对2DEG特性的影响
  化学溶液清洗是常用的半导体表面处理工艺,本研究在常规丙酮、乙醇清洗后,采用酸性或碱性溶液去除氮化物表面氧化层等无机物杂质。基于蓝宝石衬底上的AlGaN/ GaN异质结材料设置了3种表面化学清洗条件:常规的丙酮、乙醇有机化学凊洗;有机化学清洗后,将样品放在1:20的HF溶液中浸泡30s;有机化学清洗后,将样品放在50mol/L的KOH溶液中浸泡30s。通过在AlGaN/GaN异质结材料上制作TLM测试图形研究了HF和KOH溶液处理对材料沟道特性的影响,结果如表1所示。考虑到异质结材料非均匀性可能对实验结果产生的影响,对每种表面处理条件均测试了3组数据(对应于圆片上的3个不同场区),表中数值表示酸或碱溶液处理后材枓参数的变化百分比,正、负号分别表示数值增大和减小。HF溶液处理后异质结材料方块电阻降低约10-20%,但是接触电阻也显著增大;而KOH溶液处理对材料方阻影响不大,却可以大大改善欧姆接触特性。
表1 HF和KOH溶液表面处理对异质结TLM测试结果的影响
HF和KOH溶液表面处理对异质结TLM测试结果的影响  
表2 KOH溶液表面处理对异质结Hall测试结果的影响
KOH溶液表面处理对异质结Hall测试结果的影响  
  材料方阻的变化应归因于2DEG密度或迁移率的变化,本文利用接触式Hall测试研究了KOH溶液处理对AlGaN/GaN异质结2DEG特性的影响,测试结果如表2所示。KOH溶液处理使2DFG密度有小幅增加,这是因为OH-离子与材料表面发生电化学反应,引起了表面势和表面电荷分布的变化,而GaN基异质结沟道2DEG来源于氮化物材料的极化效应和表面施主电离。KOH溶液处理后载流子迁移率有所下降,这是因为2DEG密度增加使沟道电子屏蔽效应增强,电子平均自由程和迁移率降低。2DEG密度的增加和迁移率的下降,最终导致材料方阻略有增大,这与TLM测试结果相吻合。考虑到酸溶液处理导致器件欧姆接触特性退化,论文选择对沟道输运特性影响不大的KOH碱性溶液进行表面化学清洗。
 
2 . 低损伤等离子体处理对2DEG特性的影响
  等离子体处理也是半导体工艺中的常见表面处理技术。本文在样品表面化学清洗之后,利用远程等离子体进行表面处理,这是一种低损伤等离子体技术,可以避免等离子体的物理轰击作用对样品表面和沟道的损伤。研究了文中等离子体气氛条件对2DEG面密度和迁移率的影响,分别为N2气氛、NH3/N2混合气氛、O2/N2混合气氛,RF功率设置为200W,处理时间为5min。
低损伤表面等离子体处理对异质结2DFG特性的影响  
图1 低损伤表面等离子体处理对异质结2DFG特性的影响
  采用接触式Hall测试研究了等离子体表面处理对氮化物异质结2DEG特性的影响,测试结果如图1所示。N2和O2/N2混合气氛中等离子体处理引起2DEG密度提高约12%,但是电子之间相互散射作用增强导致载流子迁移率分别退化17%和22%,材料方阻分别增大约8%和16%。相比之下,NH3/N2混合气氛中等离子体处理引起了2DEG密度下降,说明含氢基团-NH 2 - 、-NH2-参与表面反应有利于降低2DEG面密度,同时使载流子迁移率提高近10%,所以对材料方阻影响不大。表现在器件特性方面则是,含氢基团参与表面处理可以在保证器件输出电流不恶化的前提下大幅提高器件沟道载流子漂移速度和高频特性。
  综合分析湿法清洗和等离子体表面处理结果可以得出,表面处理工艺对2DEG特性的影响与参加表面反应的基团有关。碱性溶液中含有OH-离子,O2/№N2混合气氛和N2气氛等离子体中含有O和N原子基团,所以引起2DEG面密度提高和载流子迁移率降低;酸性溶液中含有H+离子,NH3/N2混合气氛等离子体中有含氢基团-NH 2- 、-NH2-,从而引起载流子面密度降低和迁移率提升。在选择表面处理方法时,需要综合考虑其对2DEG密度、迁移率、材料方阻的影响。
 
3 . 等离子体处理对异质结表面势垒的影响
  表面处理影响沟道2DEG特性的机制是引起了异质结表面性质的变化,如表面施主态分布、表面势。本小结研究了远程等离子体表面处理对Ni/ AlGaN/GaN肖特基接触特性的影响。图2给出了环形二极管器件的显微图片及其正向偏置时的能带结构示意图,圆形肖特基接触电极的直径为130μm。在肖特基金属沉积之前釆用湿法化学清洗和等离子体表面预处理,不同等离子体表面预处理气氛对肖特基二极管的正向 I-V曲线影响如图3所示,电压从0V扫描至2V。电压偏置较低时,曲线受表面缺陷等影响呈现出非理想特性;随着电压增大至0.5-1.0V,沟道中热电子翻越势垒q(φb-V)到达肖特基金属,成为站主导的电流机制,如图2(b)所示,其中qφb是肖特基势垒髙度,V是偏置电压;电压继续增大导致二极管发生正向导通,I-V曲线遵循欧姆导电规律。
(a) AIGan/GaN肖特基二极管俯视显微图片及(b)正向偏置时能带结构示意图  
图2 (a) AIGan/GaN肖特基二极管俯视显微图片及(b)正向偏置时能带结构示意图
远程等离子体表面对Ni/AlGaN/GaN肖特基接触的影响  
图3 远程等离子体表面对Ni/AlGaN/GaN肖特基接触的影响
 
  金属-半导体接触的肖特基发射电流表达式为,
计算公式1、2  
其中A*是等效里查逊常数,n是理想因子,φb是肖特基势垒高度SBH。里查逊常数与GaN帽层材料性质相关,是由热电子发射机制推导出来的,应为,
计算公式3 (3)
其中m*是电子有效质量(GaN的电子有效质量为0.22m0),m0是电子质量,所以其里查逊常数理论值为26.4A·cm-2·K - 1 。常温下kT=26meV,在0.5V-1.0V之间qV远大于kT,所以式(4-1)可以写成,
计算公式4 (4)
即在半对数坐标系中,电流密度与电压呈线性关系,其直线拟合如图3所示,通过直线在纵轴上的截距可以求得肖特基势垒高度,而通过直线斜率可以得出金属-半导体接触的理想因子。
  表3给出了肖特基发射电流的拟合结果,低损伤等离子体表面处理提高了肖特基接触势垒高度,且使金属-半导体接触特性更趋近于理想接触,即表面态等缺陷对接触影响变弱。三种等离子体处理方法相比,NH3/N2等离子体处理在改善肖特基接触方面最有效,使肖特基接触势垒高度从0.95eV提高到1.14eV,理想因子从2.69减小到1.35,非常接近于理想的肖特基接触。
表3 等离子体表面预处理对Ni/AIGaN/GaN肖特基接触特性的影响
等离子体表面预处理对Ni/AIGaN/GaN肖特基接触特性的影响  

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