極化庫侖場散射對GaN基電子器件柵源和柵漏寄生電阻的影響研究.pdf

1、AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(AlGaN/GaN HEMTs)具有很多優(yōu)秀的性能特性，例如高擊穿場強、高輸出功率、高飽和電子漂移速度。此外，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料的自發(fā)和壓電極化效應(yīng)使其在不摻雜的情況下，仍可產(chǎn)生密度高達1013 cm-2的二維電子氣，因此在高頻、大功率集成電路中的應(yīng)用十分廣泛。隨著新器件結(jié)構(gòu)和新器件工藝的運用，AlGaN/GaN HEMTs器件性能越來越接近氮化鎵材料物理特性的極限。
　　隨著對器件

2、內(nèi)部等效電路研究逐漸深入，最近研究人員發(fā)現(xiàn)器件非本征參數(shù)寄生電阻嚴(yán)重影響器件的高頻性能和可靠性。其中器件在大信號下的截止振蕩頻率fT和非本征跨導(dǎo)gm嚴(yán)重受制于寄生電阻，制約著器件在噪聲容限、開態(tài)電阻和傳輸延時時間等指標(biāo)上的進一步優(yōu)化。為了解寄生電阻的產(chǎn)生原因和作用機制，本文對溝道二維電子氣電子在溝道中輸運所受的主要散射作用進行討論，其中包括極化庫侖場(PCF)散射、極化光學(xué)聲子散射、界面粗糙度散射和壓電散射，并重點就PCF散射進行研究。

3、PCF散射與柵源偏壓、源漏偏壓和柵面積均相關(guān)，導(dǎo)致柵源和柵漏寄生電阻Rs和RD也與柵源偏壓、源漏偏壓和柵面積相關(guān)，從而對應(yīng)電流-電壓(I-V)輸出特性曲線的線性區(qū)和飽和區(qū)Rs和RD也不同。本論文分別研究了AlGaN/GaN HEMTs器件線性區(qū)寄生電阻Rs和飽和區(qū)寄生電阻Rs與RD，研究了線性區(qū)Rs與柵長和正向柵源偏壓的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并研究得到了飽和區(qū)確定Rs和RD的方法。我們制備出不同柵面積、不同柵源間距的AlGaN/GaNHEMTs，在

4、不同外加?xùn)旁雌珘簵l件下測量出寄生電阻，并對器件溝道內(nèi)各種散射機制展開分析。最后，經(jīng)過散射理論模型計算的寄生電阻數(shù)值與實驗測試值的較好擬合證實了PCF散射是Rs的重要影響因素，AlGaN/GaN HEMTs的寄生電阻與柵源偏壓、源漏偏壓和柵面積密切相關(guān)。具體包括以下內(nèi)容:
　　1.極化庫侖場散射對器件線性區(qū)柵源溝道寄生電阻Rs的影響
　　器件工藝之后，器件正常歐姆接觸退火工藝和柵極外加偏壓會改變AlGaN/GaN異質(zhì)界面處的極

5、化電荷均勻分布狀態(tài)，導(dǎo)致附加極化電荷的產(chǎn)生，引起PCF散射。經(jīng)TLM法測試，我們發(fā)現(xiàn)相同襯底上不同測試區(qū)域的器件歐姆接觸存在差異，表明同一片襯底上制作的歐姆接觸并不完全一致。歐姆接觸的質(zhì)量差異會干擾我們對器件在外加偏壓時柵下AlGaN勢壘層區(qū)域處由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的附加極化電荷的研究。為了減小歐姆接觸質(zhì)量差異的影響，我們設(shè)計了共用源極歐姆接觸的電子器件。由于同個臺面上的左右兩個柵極接觸共用同一個源極歐姆接觸，從而消除了不同歐姆接觸質(zhì)量差

6、異的影響，由此可準(zhǔn)確研究柵面積和柵源偏壓對Rs的影響。在歐姆接觸下方區(qū)域，金屬原子擴散作用減弱了AlGaN勢壘層的壓電極化強度，并且歐姆接觸下方的附加極化電荷△σ1是一個與柵源偏壓無關(guān)的負(fù)值。在VGs＞0的情況下，柵下區(qū)域引入的隨柵源偏壓變化且為正值的△σ3和歐姆區(qū)域引入的不變且為負(fù)值的△σ1共同決定PCF散射勢。當(dāng)VGs增大，數(shù)值為正且增大的△σ3逐漸抵消數(shù)值為負(fù)且不變的△σ1，最終△σ3成為PCF散射勢的主導(dǎo)因素。對于同個樣品內(nèi)共用

7、同一源極歐姆接觸的兩個AlGaN/GaN HEMTs器件，使用柵探針法測量Rs時保持VGs在同一變化范圍以保證各器件中的柵下區(qū)域的△σ3相等。柵源間距相同，對于更大柵面積的器件柵下附加極化電荷總量更大，增強了PCF散射勢的強度進而導(dǎo)致Rs的增大。柵面積相同，器件柵下附加極化電荷總量相同，然而更大柵源間距的器件附加散射勢作用區(qū)域增大，降低了散射的強度，所以Rs隨VGs變化幅度減小。
　　最后，使用PCF散射理論模型，我們計算了各尺寸

8、器件不同偏壓下的寄生電阻Rs，并與器件寄生電阻的測試值進行對比，較好的擬合效果證實了用PCF散射理論解釋Rs形成機制的合理性，也明確表明AlGaN/GaN HEMTs器件線性區(qū)Rs與柵源偏壓和柵面積密切相關(guān)。
　　2.極化庫侖場散射對長柵長器件飽和區(qū)寄生電阻的影響
　　PCF散射是影響AlGaN/GaN HEMTs器件性能的重要散射機制。然而對于長柵長器件，對不同靜態(tài)偏置狀態(tài)下的飽和區(qū)寄生溝道電阻的研究并沒有考慮PCF散射的

9、影響。由此，考慮PCF散射，并得到AlGaN/GaN HEMTs器件飽和區(qū)寄生電阻對提升器件特性至關(guān)重要。與深亞微米柵長器件不同，長柵長器件中源漏之間的電場不能使溝道載流子達到飽和漂移速度。因此，短柵長器件柵下的線性電勢分布并不適用于長柵長器件。長柵長器件的溝道電勢分布情況需要進一步研究。
　　其一，在I-V輸出特性曲線中選取VGs=-3V-0V，VDS=8V的靜態(tài)偏置點，并使用改進的柵探針法測得器件的Rs和RD。其二，根據(jù)寬禁帶

10、半導(dǎo)體在制備肖特基柵極下的電荷控制模型，飽和區(qū)(VDs=8V)時的柵下溝道電勢分布被分為兩個部分。緩變溝道近似溝道區(qū)域Ⅰ和夾斷溝道區(qū)域Ⅱ分別對應(yīng)柵下電勢從Vc(0)變到Vknee和從Vknee變到Vc(L)的區(qū)域。Vc(0)和VC(L)分別是源、漏測柵極邊緣處的溝道電勢，Vknee近似認(rèn)為是溝道恰好夾斷的溝道電勢。然后，使用PCF散射理論分析和確定AlGaN/GaN HEMTs器件溝道各處的附加極化電荷△σ的分布及其決定的附加散射勢。最

11、后，綜合考慮極化光學(xué)聲子散射、界面粗糙度散射、壓電散射和極化庫侖場散射在內(nèi)的各種散射機制，模擬計算出不同偏置狀態(tài)下的Rs和RD。理論計算結(jié)果和測試得到的Rs和RD呈現(xiàn)較好的一致性，證明了理論計算的準(zhǔn)確性。
　　對于樣品3中的器件，歐姆接觸下方區(qū)域的附加極化電荷△σ1是一個與柵源偏壓無關(guān)的負(fù)值。各偏置狀態(tài)下的VGs為負(fù)值，因此柵下區(qū)域附加極化電荷△σ3為負(fù)值。取值為負(fù)值的△σ1和△σ3共同確定了PCF附加散射勢。各測試點的柵源偏壓變

12、化范圍是-3V到0V，逐漸減小的△σ3和固定不變的△σl減弱了PCF散射勢的強度，導(dǎo)致Rs和RD的減小。另外，對于其他幾種散射機制，非柵極溝道區(qū)域內(nèi)電子溫度Te和二維電子氣密度n2D決定了它們的散射強度。由于樣品3中器件的電流較小不足以導(dǎo)致載流子明顯的熱聲子效應(yīng)和自熱效應(yīng)。常溫條件下，柵源和柵漏之間的溝道處的n2D在不同柵源偏壓VGs下為固定值。因此，各不同靜態(tài)偏置狀態(tài)下Rs和RD的差異只能歸因于PCF散射勢的差異。這些研究結(jié)果證實由于