论文部分内容阅读
与传统的肖特基栅HEMT相比,GaN基绝缘栅HEMT器件可以有效减小栅极泄漏电流,在高效微波功率放大器、高压开关等应用中具有广阔的应用前景。然而,栅绝缘层与氮化物之间严重的界面问题会引起器件性能退化和可靠性问题,近年来成为国际研究的热点。本论文创新性地采用AlN栅绝缘层替代常用的栅氧介质,基于高质量AlN绝缘层材料制备工艺和优化的界面预处理工艺,研制了高界面质量的GaN基MIS-HEMT器件,并利用等效电路和解析模型对其界面特性进行了定量表征。论文的主要研究成果包括：(1)采用等离子增强原子层沉积技术在低温下制备了高质量的AlN绝缘层材料。采用TMA和NH3作为反应前驱体源,通过优化前驱体脉冲时间、吹扫时间、RF功率等工艺参数,在100℃-300℃工艺温度范围内实现了AlN薄膜的自限制饱和生长。A1N薄膜沉积速率约为0.081nm/cycle,实现了原子尺度上的膜厚精确控制。通过优化工艺温度,在300℃下得到了光学禁带宽度为5.8eV、表面粗糙度RMS小于0.5nm的AlN薄膜。XPS测试结果显示,PEALD沉积AlN薄膜中氧杂质原子含量处于13%的较低水平,Al/N原子比为1.6。AlN薄膜中不含碳杂质,说明优化的沉积工艺有效避免了TMA前驱体中的碳原子嵌入。快速热退火处理使薄膜结构和电学特性进一步改善,优化的退火温度范围是450℃。(2)开发并优化了GaN基MIS-HEMT器件的低损伤界面预处理技术和表面钝化工艺。HF溶液处理使AlGaN/GaN异质结方阻显著减小,但是导致欧姆接触特性恶化,所以本论文采用对沟道和欧姆接触影响不大的KOH碱溶液化学清洗工艺。Hall测试表明,KOH溶液清洗、N2等离子体处理、02/N2等离子体处理分别使2DEG密度升高10%,迁移率降低10-20%；NH3/N2等离子体处理过程,含氢基团使2DEG密度降低约10%,迁移率提高约10%。基于表面处理结果优化了MIS-HEMT器件的原位界面预处理工艺,确定NH3/N2等离子体预处理可以使器件获得最优的界面和沟道输运特性。研究了10nm表面钝化层对异质结沟道特性的影响,Hall测试显示PEALD沉积、ALD沉积PECVD沉积SiN分别使异质结方阻减小10%以上。拉曼测试表明钝化层对异质结应力作用很小,沟道输运特性变化来源十表而调制作用。A1203钝化层中含有-OH基团,ON使界面态和2DEG面密度增大;A1N和SiN生长过程中有NH3参与反反应,表面施主态减少导致2DEG密度降低20%-50%,迁移率提高至原来的2倍,且AlN饨化层的表面调制作用更强。脉冲测试表明AlN钝化器件的电流崩塌量仅为6%,远远低于常规PECVD沉积SiN钝化器件的26%,从而确定PEALD沉积AlN为最优的表面钝化层材料。(3)基于PEALD沉积AlN栅绝缘层和界面预处理技术,研制了高界面质量和沟道输运特性的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。与肖特基栅HEMT相比,采用20nm厚Al20O栅绝缘层的MOS-HEMT器件Vth负向漂移5.2V,而采用AlN栅绝缘层的MIS-HEMT器件Vth仅负漂了0.8V。AlN栅绝缘层使绝缘栅异质结构的C-V测试Vth回滞电压从0.6V减小至50mV以下,变频C-V表明界面态密度从4.61×1012cm-2减小至2.78×1012cm-2。AlN栅绝缘层使GaN基绝缘栅HEMT器件沟道输运特性和场效应迁移率提高,0.5μm栅长器件的峰值跨导从203mS/mm提高到289mS/mm,甚至超过了肖特基栅器件的270mS/mm。AlN栅绝缘层有效改善了绝缘栅HEMT器件的频率特性和稳定性,与A1203栅绝缘层器件相比fr/fmax水平从10.8GHz/11.6GHz提高到13.4GHz/16.1GHz。研制的5nm-Al2O3/1nm-AlN超薄叠层介质凹槽栅MIS-HEMT饱和输出电流和峰值跨导分别为1.24A/mmm和413mS/mm,开关态电流比达到10-10。100μm凹槽栅MIS-HEMT器件的fr/fmax达到24GHz/102GHz,AB类工作条件下5GHz连续波输出功率超过7W/mm,功率附加效率在40%以上。(4)建立了GaN基绝缘栅HEMT器件的界面电荷定量表征模型,并对AlN/势垒层和A1203/势垒层界面电荷进行了对比分析。建立了GaN基绝缘栅异质结构的界面态等效电路模型,利用变频电导法成功分离了异质结界面和绝缘层/势垒层两个界面处的陷阱,且并联电导谱线拟合方法比常用的C-V测试方法更精确,此方法得到了国际同行的高度评价。PEALD沉积A1N栅绝缘层与势垒层之间界面态密度为0.97-2.2×1013cm-2eV-1,分布在导带底以下0.45-0.67eV能级范围；ALD沉积A1203栅绝缘层与势垒层界面ON缺陷使陷阱能级变深为0.52-0.72eV,态密度增大到1.6-9.0×1013cm-2eV-1。基于异质结能带结构和界面电荷分布,建立了肖特基栅和绝缘栅异质结构的平带电压解析模型,比直接采用阂值电压解析法更加准确。A1203与势垒层界面电荷密度高达8.98x1012cm-2,引起平带电压和阈值电压负漂3.78V；而AlN绝缘层界面电荷密度为-1.18×1012cm-2,界面固定电荷密度极低,而以界面态为主导,界面有效电荷导致平带电压正向漂移0.32V。