具有阻擋層的H 等離子體處理增強(qiáng)型p-GaN柵AlGaN/GaN HEMT 研究*

黃興杰 邢艷輝? 于國浩 宋亮 黃榮 黃增立 韓軍 張寶順? 范亞明3)

1) (北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部,光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

2) (中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘇州 215123)

3) (江西省納米技術(shù)研究院,納米器件與工藝研究部暨南昌市先進(jìn)封測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330200)

采用H 等離子體處理p-GaN 蓋帽層來制備p-GaN 柵AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT).在p-GaN層表面上先沉積2 nm 的Al2O3 薄膜,以減少H 等離子體注入p-GaN 時對表面造成的損傷.經(jīng)研究表明沉積Al2O3 阻擋層的器件柵極反向泄漏電流降低了一個數(shù)量級,開關(guān)比提高了約3 倍.由于柵極泄露電流的減小,關(guān)態(tài)擊穿電壓從410 V 提高到780 V.針對柵極反向泄漏減小的現(xiàn)象,進(jìn)行了變溫IG-VG 測試,驗(yàn)證了柵極反向泄漏電流的主導(dǎo)機(jī)制是二維變程跳躍(Two-dimensional variable range hopping,2D-VRH)模型.分析了減小柵極反向電流的原因是由于Al2O3 阻擋層改變了HR-GaN 的表面態(tài),使陷阱能級的活化能升高.此外,器件動態(tài)特性也表現(xiàn)出更穩(wěn)定的趨勢,這是Al2O3 薄膜阻擋過多的H 等離子體的注入,使AlGaN 勢壘和溝道陷阱態(tài)數(shù)量減少,電流崩塌效應(yīng)減弱.

1 引言

近年來,GaN 半導(dǎo)體材料在高遷移率、高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻、低功耗方面都體現(xiàn)了巨大的潛力,在微電子領(lǐng)域占據(jù)了非常重要的地位.由于AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料具有極強(qiáng)的極化效應(yīng),采用AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件,在材料交界面產(chǎn)生了高密度的二維電子氣(2-DEG),同時,異質(zhì)結(jié)在交界面產(chǎn)生的量子阱結(jié)構(gòu)也提供了高電子遷移率通道[1?3].傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT 為耗盡型器件,而功率器件需要采用增強(qiáng)型器件,且GaN 單芯片集成也需要增強(qiáng)型器件和耗盡型器件結(jié)合組成邏輯電路,因此增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 的研究越來越受到重視[4].制備增強(qiáng)型AlGaN/GaN HEMT 的方法主要有p-GaN 柵結(jié)構(gòu)[5,6]、在柵下注入F 離子[7,8]和凹槽柵結(jié)構(gòu)[9].其中p-GaN 柵結(jié)構(gòu)對閾值電壓的控制更為精確,其原理是利用柵下的p-n 結(jié)的內(nèi)置電場將GaN 導(dǎo)帶提高到費(fèi)米能級以上,阻斷柵下二維電子氣通道[10?12].通過在AlGaN 勢壘層上生長較薄的p-GaN 層,然后選擇性刻蝕柵源和柵漏之間的p-GaN 層來制備p-GaN 柵結(jié)構(gòu)[13].在刻蝕工藝中,無論是殘余的p-GaN 層或者過度刻蝕的情況都可能會對二維電子氣通道產(chǎn)生嚴(yán)重影響.為避免上述情況的發(fā)生,2016 年Hao 等[14,15]以空穴補(bǔ)償機(jī)制為理論基礎(chǔ)采用H 等離子體處理p-GaN 層,使p-GaN 層轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦璧腉aN 蓋帽層(HRCL-GaN),成功制備出了p-GaN 柵HRCLHEMT.并且研究發(fā)現(xiàn)隨著H 等離子體注入功率的增大,柵極反向泄漏電流也隨之增大[16,17].而柵極反向泄漏電流的增大會引發(fā)器件關(guān)態(tài)性能下降和引起可靠性問題[17,18].2018 年Xu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)HRCL-HEMT 器件的柵極反向泄漏電流傳輸機(jī)制主要是二維變程跳躍(Two-dimensional variable range hopping,2D-VRH)模型,并且柵極反向泄漏電流的途徑主要在p-GaN 層的表面.由此推測p-GaN 層表面可能受到了嚴(yán)重的H 等離子體注入損傷,并且注入損傷隨著H 等離子體的注入功率增大而增大.

因此,本文采用等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)技術(shù)在p-GaN 表面沉積2 nm 的Al2O3薄膜作為H 等離子處理p-GaN 的保護(hù)層.由此使柵極反向泄漏電流減小了一個數(shù)量級,關(guān)態(tài)擊穿電壓從410 V 增至780 V.此外,器件的動態(tài)特性也表現(xiàn)出更穩(wěn)定的趨勢.

2 器件制備

圖1 所示為本實(shí)驗(yàn)所制備器件的橫截面示意圖,器件的外延結(jié)構(gòu)是利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長在2-inch p-Si(111)襯底上,由下到上層次結(jié)構(gòu)依次為GaN/AlN/AlGaN/p-GaN(4.35 μm/1 nm/18 nm/70 nm).采用F 離子注入進(jìn)行臺面隔離,然后電子束蒸發(fā)沉積厚度依次為20/30/50/150 nm 的Ti/Al/Ni/Au 作為漏源電極,接著在氮?dú)夥諊陆?jīng)875 ℃退火30 s 形成歐姆接觸,然后沉積厚度依次為50/150 nm 的Ni/Au 作為柵極金屬.器件柵源之間的距離(LGS)為4 μm,柵漏之間的距離(LGD)為7 μm,柵長(LG)為4 μm,柵寬(WG)為100 μm.H 等離子體處理過程采用自對準(zhǔn)工藝,設(shè)備采用Oxford Plasmalab System 100 ICP 180,電感耦合等離子體機(jī)ICP功率為300 W,RF 功率為2 W,腔內(nèi)壓強(qiáng)為8 mTorr(1 mTorr=100 Pa).器件A 沉積柵極金屬之后進(jìn)行原位H 等離子體處理,器件B 先沉積2 nm Al2O3薄膜,然后再經(jīng)H 等離子體處理.接著兩個樣品均在350 °C 退火5 min 來修復(fù)等離子體損傷.

圖1 器件橫截面示意圖 (a)器件A;(b)器件BFig.1.Diagram of depicts schematic cross-sections of the devices:(a) Device A;(b) device B.

3 結(jié)果和討論

圖2(a)顯示了所制備器件的轉(zhuǎn)移特性.測試時,源極接地.當(dāng)漏極電流(ID)為10 μA/mm 時,器件A 和器件B 的閾值電壓(VTH)均為1.42 V.當(dāng)(VG)為8 V 時,器件A 和器件B 的最大漏極飽和電流(IDmax)分別為313 mA/mm 和345 mA/mm.在漏極電壓(VD)為10 V,柵極電壓(VG)為–3 V下,器件A 和B 的柵極反向泄漏電流分別為IG=1.92×10?4mA/mm,IG= 2.26×10?5mA/mm,由此看出器件B 的柵極反向泄漏電流比器件A 的降低了一個數(shù)量級.器件B 的開關(guān)比(VG=–3 V,IOFF= 5.93×10?5mA/mm,IDmax/IOFF=5.82×106mA/mm)比器件A 的(VG=–3 V,IOFF=2.13×10?4mA/mm,IDmax/IOFF= 1.46×106mA/mm)提高了約3 倍.由此看出Al2O3阻擋層不僅使柵極反向電流降低了一個數(shù)量級,同時使關(guān)態(tài)漏極電流下降,因此器件B 的開關(guān)比增大.這說明Al2O3阻擋層起到降低p-GaN 表面損傷的作用.圖2(b)顯示了器件的輸出特性,當(dāng)VG為8 V,VD為1 V 時,從輸出特性曲線中提取器件A 和器件B 的導(dǎo)通電阻RON分別為14.1 Ω·mm 和12.5 Ω·mm.溝道界面態(tài)對器件的導(dǎo)通電阻和漏極飽和電流產(chǎn)生影響,器件B 的導(dǎo)通電阻減小和漏極飽和電流增大可能是Al2O3阻擋層阻止了部分H 等離子體進(jìn)入2-DEG 溝道,使溝道界面受到的損傷減少.

圖2 器件的I-V 特性 (a)器件的轉(zhuǎn)移特性;(b) 器件的輸出特征Fig.2.I-V characteristics of all devices:(a) Transfer characteristics;(b) output characteristics.

為了研究Al2O3阻擋層對器件的影響,對器件進(jìn)行了變溫IG-VG測試,測試溫度為323—498 K,每次升高25 K,源極電壓接地,漏極電壓設(shè)置為0 V.測試結(jié)果如圖3 所示,器件A 和器件B 的柵極反向泄漏電流都隨著溫度的升高而升高.當(dāng)溫度高達(dá)498 K,VG為–10 V 時,器件A 的柵極泄漏電流達(dá)到 1.74×10?5A/mm,器件B 的柵極泄漏電流為 7.38×10?6A/mm.由此看出,在相同溫度下,器件B 的柵極反向泄漏電流明顯小于器件A 的柵極反向泄露電流.考慮H 等離子體制備的p-GaN 柵HEMT 主要的柵極反向泄漏電流機(jī)制主要為2DVRH 模型[19],因此使用2D-VRH 漏電模型進(jìn)行計算.2D-VRH 的數(shù)學(xué)模型表示為σ ∝exp[?(T0/T)1/3],T0是特征溫度,σ為電導(dǎo)率,其計算公式為σ=I/V,T的溫度范圍為323—498 K.圖4(a)和4(b)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過2D-VRH 模型計算得到的 l nσ與(1000/T)1/3的函數(shù)關(guān)系結(jié)果,可以看出在不同反向柵壓下,對于器件A 和器件B 的 l nσ與(1000/T)1/3成線性比例,這表明了2D-VRH 漏電模型是器件A 和器件B 反向柵極泄漏電流的主要漏電機(jī)理.圖4(c)和4(d)分別是器件A 和器件B 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)Arrhenius 方程[20]繪制的對數(shù)坐標(biāo)下柵極反向泄漏電流電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系圖,根據(jù)直線的斜率可以計算陷阱能級的活化能.由此提取得到器件A 和B 中的表面缺陷能級活化能如表1 所示,從表中看到,柵極電壓從–1 V 變化到–10 V,器件表面的缺陷能級活化能隨著柵極反向電壓的增大而減小,說明除了熱激發(fā)以外,電場也可以提供能量輔助電子從HR-GaN 層的表面陷阱能級間躍遷[21].從表1 還可以看出,在不同柵極反向電壓下器件A 的缺陷能級活化能(Ea)要明顯小于器件B 的缺陷能級活化能,這說明Al2O3薄膜阻擋層確實(shí)有效地改變了HR-GaN 的表面狀態(tài),降低了HR-GaN表面缺陷能級捕獲和釋放電子的能力,加大了電子在HR-GaN 表面缺陷能級間躍遷的難度,提高了表面漏電通道的開啟門檻,因此器件表面的泄露電流減小,器件B 柵極反向電流下降了一個數(shù)量級.

圖3 變溫IG-VG 特性 (a)器件A;(b)器件BFig.3.Temperature dependent IG-VG characteristics :(a) Device A;(b) device B.

圖4 (a)從–1—–10 V 器件A 的 l nσ 與 (1000/T)1/3 的函數(shù)關(guān)系;(b)從–1 V—–10 V 器件B 的 l nσ 與 (1000/T)1/3 的函數(shù)關(guān)系;(c)從–1—–10 V 器件A 的 l nσ 與 1 000/T 的函數(shù)關(guān)系;(d)從–1—–10 V 器件B 的 l nσ 與 1 000/T 的函數(shù)關(guān)系;點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)值,直線是擬合值Fig.4.(a) l nσ of device A at VG from–1 V to–10 V as a function of (1/T)1/3 ;(b) l nσ of device B at VG from–1 V to–10 V as a function of (1/T)1/3 ;(c) l nσ of device A at VG from–1 V to–10 V as a function of 1 000/T ;(d) l nσ of device B at VG from–1 V to–10 V as a function of 1 000/T ;the point is experimental value and the fitted value is a straight line.

表1 在不同柵極電壓下表面缺陷能級EaTable 1.Surface defect level Ea at different gate voltages.

器件的柵極反向漏電特性與器件的關(guān)態(tài)擊穿特性息息相關(guān),由于器件處于關(guān)態(tài)下,柵極電流是漏極電流組成部分,而柵極電流的突然增大會造成器件關(guān)態(tài)擊穿[22].器件的關(guān)態(tài)擊穿特性如圖5(a)所示,在漏極電流為10 μA/mm 時,器件A 和B的關(guān)態(tài)擊穿電壓分別為410 V 和780 V,由此看出采用Al2O3阻擋層的器件B 關(guān)態(tài)擊穿電壓明顯提高,器件B 比A 的關(guān)態(tài)擊穿電壓提高了90.24%,器件B 擊穿電壓的提高主要?dú)w因于Al2O3阻擋層使柵極關(guān)態(tài)電流明顯降低,柵極關(guān)態(tài)電流降低的原因與柵極反向電流的原因一致,都是由于器件表面泄漏電流減小.圖5(b)所示為器件電流崩塌對比的結(jié)果,采用Agilent B1505A N1267A 動態(tài)測量系統(tǒng)對器件的電流崩塌進(jìn)行評估.測試條件設(shè)置與課題組之前的報道相同[23],開態(tài)下設(shè)置為VG=6 V 和VD=0.5 V,源極和襯底接地.關(guān)態(tài)下設(shè)置為VG為0 V,VD從1 V 變化到400 V,應(yīng)力時間為10 ms,從關(guān)態(tài)切換到開態(tài)時間為200 μs,每隔100 V 測量一次動態(tài)電阻RON.從圖中可以看出,當(dāng)偏壓在400 V 時,器件A 和B 的崩塌因子分別為1.49 和1.45,器件B 較器件A 的崩塌因子減小了2.6%,即表明其電流崩塌效應(yīng)有所減輕.多數(shù)研究認(rèn)為,AlGaN/GaN 型HEMT 電流崩塌與AlGaN勢壘層中陷阱態(tài)有關(guān)[24,25].器件B 電流崩塌效應(yīng)減輕即表明Al2O3阻擋層不僅使HR-GaN 的表面缺陷能級的活化能增大,也可能使HR-GaN/AlGaN勢壘層中缺陷態(tài)數(shù)量減少,同時可能影響到AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面,使漏極飽和電流增大和導(dǎo)通電阻下降.計算了器件A 和器件B 的比導(dǎo)通電阻RON,SP分別為2.23 mΩ·cm2和1.97 mΩ·cm2,同時比較了文獻(xiàn)[2,14,16,26?29]中p-GaN 柵HEMT器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓,其中器件B 的器件性能在同類器件中也處于較高水平.為了進(jìn)一步探究其作用機(jī)理,對器件進(jìn)行了縱向元素分布二次離子質(zhì)譜(SIMS)檢測,如圖5(c)所示,從圖5(c)可以看出,通過器件A 和器件B 與未經(jīng)過H 等離子體處理的器件相比,H 等離子體處理功率為2 W 的時候注入深度在90 nm 左右,注入深度已經(jīng)達(dá)到AlGaN勢壘層,在AlGaN 勢壘中,器件A 的H 元素含量明顯高于器件B 的H 元素含量,說明Al2O3薄膜起到了阻擋作用.由于到達(dá)AlGaN 層H 等離子體的減少,注入損傷所產(chǎn)生的缺陷也將減少,因此器件B 的電流崩塌效應(yīng)有所削弱.圖6 是H 等離子體注入過程以及2D-VRH 機(jī)制示意,從圖6(a)可以看出,器件A 在H 等離子體在注入開始時,H等離子體率先破壞了p-GaN 表面的晶格結(jié)構(gòu),在p-GaN 表面形成了大量的晶格缺陷,這些缺陷會導(dǎo)致器件形成以2D-VRH 漏電機(jī)制為主的表面漏電通道,隨著注入時間延長,越來越多H 等離子體到達(dá)AlGaN 勢壘層和溝道層,勢壘層和溝道界面附近也產(chǎn)生了越來越多具有類似于施主作用的缺陷態(tài),缺陷態(tài)在電應(yīng)力的作用下捕獲溝道中的電子,在快速切換的情況下這些被捕獲的電子來不及釋放,導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)的產(chǎn)生.而對于器件B,如圖6(b)所示,當(dāng)在p-GaN 表面沉積Al2O3薄膜再經(jīng)H 等離子體處理后,Al2O3薄膜減小了H 等離子體對p-GaN 表面造成的晶格損傷,改變了HR-GaN 的表面態(tài),使缺陷態(tài)的活化能升高,表面泄露電流減小,其次在H 等離子體處理時阻擋了過多的H 等離子體進(jìn)入AlGaN 勢壘層和溝道界面,在勢壘層和溝道界面附近造成的缺陷態(tài)數(shù)量也隨之減少,使電流崩塌效應(yīng)減弱了.

圖5 (a)器件A 和器件B 的關(guān)態(tài)擊穿電壓對比;(b)器件A 和器件B 的電流崩塌對比;(c)縱向元素分布SIMS 測試結(jié)果Fig.5.(a) OFF-state breakdown characteristics of device A and device B with substrate grounded;(b) normalized dynamic RON with various values of OFF-state VDS stress from 1 V to 400 V of device A and device B;(c) vertical anatomy of H distribution.

圖6 器件2D-VRH 泄漏電流機(jī)制示意圖和H 等離子注入示意圖 (a)器件A;(b)器件BFig.6.Schematic of the Two-dimensional variable range hopping (2D-VRH) model for devices,and Hydrogen plasma treatment for(a) device A and (b) device B.

4 結(jié)論

本文采用H 等離子體處理p-GaN 蓋帽層來制備的p-GaN 柵AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT).利用了PEALD 在p-GaN 層上沉積2 nm Al2O3阻擋層,增大了p-GaN 表面陷阱態(tài)的活化能,減少了p-GaN 表面由于H 等離子體注入帶來的損傷,因此柵極反向泄漏電流降低了一個數(shù)量級.同時,隨著柵極反向泄漏電流的減小,關(guān)態(tài)擊穿電壓提高了90.24%.此外,器件的電流崩塌效應(yīng)也表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的趨勢,通過SIMS 測試縱向H 分布剖析圖證明了Al2O3薄膜對H 的阻擋作用,并且進(jìn)一步分析了H 等離子體注入過程以及2D-VRH 機(jī)制得出了Al2O3阻擋層對器件性能改善的機(jī)理.