InAlN-AlN-GaN NFETs界面缺陷態(tài)及肖特基特性研究.pdf

1、近年來，作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表，GaN基氮族半導體器件在高溫.高頻.大功率器件領域具有廣闊的應用前景，在國內外得到了非常廣泛深入的研究。AlGaN/GaN異質結場效應晶體管(AlGaN/GaNHFETs)是極具代表性的器件結構之一，具有GaN材料的寬帶隙、高擊穿場強、高電子飽和漂移速度、高熱導率和穩(wěn)定的化學性質等優(yōu)越性能，從而使其具有高跨導、高飽和電流、高截止頻率、高擊穿電壓等優(yōu)良特性，此外AlGaN/GaN還具有很大的帶

2、階差，很強的極化效應，即使不用任何摻雜，不加偏壓，僅通過自發(fā)極化和壓電極化，就足以在AlGaN/GaN異質界面的量子阱中產生高達～1013/cm2的二維電子氣(2DEG)密度。因此一直是國際研究GaN器件的重要領域之一，目前已經取得了很大的進展包括器件性能和工藝制備技術。
　　 然而，由于AlGaN和GaN基板材料之間的晶格失配使得AlGaN勢壘層存在較強的張應變和壓電極化，在電場作用下的逆壓電效應嚴重影響了器件的可靠性，加之A

3、lGaN和GaN晶格失配導致的缺陷也使器件的可靠性受到影響。InAlN作為一種新型的勢壘層材料，在其In組分為0.17～0.18時與GaN晶格匹配，故沒有應力及壓電極化的產生，從而可以提高器件的可靠性。同時在超薄的勢壘層下由于很高的AL組分（Al組分約為0.82）仍有由于自發(fā)極化而產生很高的二維電子氣面密度，非常適合于毫米波功率器件的制備。由于AlN和InN的生長溫度差別大(AlN高溫生長，InN低溫生長)，而且，AlN和InN的晶格常

4、數、鍵長和熱穩(wěn)定性差別較大，使得InAlN薄膜生長過程中很容易出現相分離和組分不均勻現象，因此，外延生長高質量的InAIN材料非常困難。InAlN/GaN異質結場效應晶體管(InAlN/GaNHFETs)研究始于2000年，目前InAlN/GaNHFETs的頻率特性已經取得了很好的成果，特征頻率可以突破370GHz（在柵長Lg=30nm的條件下），方塊電阻為260/□，載流子密度可達1.72×1013cm-2，遷移率1240cm2/(v

5、s)。
　　 雖然InAlN和GaN有良好的晶格匹配（對應In組分0.17～0.18），但有關InAlN/AlN/GaN異質結界面缺陷態(tài)的研究相對較少。本論文開展了InAlN/AlN/GaNHFETs異質界面缺陷態(tài)的研究，發(fā)現在InAlN/AIN/GaN異質界面依然存在著較高密度的界面缺陷態(tài)，論文中對這些較高密度的界面缺陷態(tài)進行了分析和研究。InAlN/AlN/GaNHFETs中的串聯電阻對于場效應器件也是很重要的一個參數，小的

6、串聯電阻可降低功耗增大器件輸出電流，同時電阻越小就意味著器件時間延遲就越小，從而能夠提高器件的頻率特性。很多研究表明將傳統(tǒng)漏極歐姆接觸工藝改為肖特基漏極工藝后，AlGaN/GaNHFETs的器件特性得到了很大改善，比如擊穿電壓提升很多，柵漏串聯電阻也有了較大的降低。為此，本論文也研究了肖特基漏極工藝和歐姆接觸漏極工藝對柵漏串聯電阻的影響。具體研究包括以下內容:(
　　 )1、InAlN/AlN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)研究。

7、摡述了計算界面缺陷態(tài)密度的常用方法-平行電導法。通過對器件變頻電容-電壓(CV)，變頻電導-電壓(GV)和電流-電壓IV測試，運用平行電導法計算得到了器件的界面缺陷態(tài)信息包括缺陷態(tài)密度、時間常數和界面缺陷能級。分別計算了不同尺寸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs和In0.17Al0.83N/AlN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)。研究表明，在In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs和In0.17Al0.83N

8、/AlN/GaNHFETs中依然存在著較高密度的界面缺陷態(tài)密度而且界面缺陷態(tài)密度的數量級與AlGaN/AlN/GaNHFETs的相接近，論文給出了界面缺陷態(tài)產生的幾種可能性原因;不論是圓形器件還是方形器件，界面缺陷態(tài)密度之間的差距不大，說明器件尺寸對界面缺陷態(tài)影響不大;在本文的生長條件下制備的器件中In組分為18％的InAlN與GaN晶格匹配度應該更好，In組分為17％時，界面缺陷態(tài)變化規(guī)律和AlGaN/AlN/GaNHFETs很相似;

9、當負柵偏壓向零柵偏壓趨近時，發(fā)現InAlN/AIN/GaNHFETs的界面缺陷態(tài)密度也是逐漸增大的，其原因歸于逆壓電效應導致AIN薄層部分弛豫所致。(
　　 )2、InAlN/AlN/GaNHFETs肖特基漏極串聯電阻研究。論文介紹了計算肖特基接觸下串聯電阻的方法-功耗法，并且通過和傳統(tǒng)HFET方法計算串聯電阻比較，發(fā)現功耗法在計算InAlN/AlN/GaNHFETs的串聯電阻時同樣適用。論文設計了不同尺寸器件結構的的In0.1

10、8Al0.82N/AlN/GaN肖特基漏極HFETs和源漏均為歐姆接觸的In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs進行柵漏間串聯電阻的對比分析，結果發(fā)現串聯電阻的變化規(guī)律與AlGaN/GaNHFETs串聯電阻變化規(guī)律不太相同，有其復雜性，器件尺寸效應比較顯著:當柵長與源漏間距比值很?。ù蠹s0.1～0.2）時或者柵長小到一定程度（10μm以下），肖特基漏極工藝后，漏端串聯電阻比源漏均為歐姆接觸的In0.18Al0.82N/AlN

11、/GaNHFETs的漏端串聯電阻有所降低;當柵長與源漏間距比值變大或柵長變大時，肖特基漏極工藝后，漏端串聯電阻相比傳統(tǒng)HFETs的漏端串聯電阻增大很多。論文通過計算分析了不同尺寸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs器件的二維電子氣密度和二維電子遷移率，結果發(fā)現總體來講源漏均為歐姆接觸In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs的二維電子氣密度比In0.18Al0.82N/AlN/GaNHFETs的二維電子氣密度大