用氟基等离子体处理控制AlGaN/GaN高电介质的阈值电压：从耗尽型到增强型外文翻译资料

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用氟基等离子体处理控制AlGaN/GaN高电介质的阈值电压：从耗尽型到增强型

摘 要

本文提出了一种利用氟基等离子体处理精确控制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)阈值电压(阈值电压)的方法。利用该方法，AlGaN/GaN HEMT的阈值电压可以在传统的耗尽型(AlGaN/GaN HEMT下从minus;4V连续偏移到增强型AlGaN/GaN HEMT的0.9V。发现等离子体诱导的电浆损伤导致二维电子气体的迁移率下降。损伤可以修复，迁移率可以通过400℃的栅后退火步骤恢复同时，在阈值电压的转移显示了良好的热稳定性，不受后栅退火的影响。增强型HEMT具有与耗尽型HEMT相当的性能(跨导、截止频率)。实验结果证实，阈值电压偏移源于氟离子加入到AlGaN势垒中。此外，氟基等离子体处理也被发现在正向和反向偏置区域有效地降低栅漏电流。提出了一个阈值电压的物理模型，以解释氟基等离子体处理对AlGaN/GaN HEMTs的影响

索引项－AlGaN/GaN、耗尽型、增强型、氟化物、栅极电流、高电子迁移率晶体管(HEMT)、固定负电荷、等离子体处理、栅极后快速热退火(RTA)、阈值电压。

1、介绍

宽带隙AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其高功率处理能力，正在成为射频（RF）和微波功率放大器（PAs）的优秀候选材料。比硅或砷化镓高一个数量级的功率密度已被证明为[1]-[4]。他们展示的低噪声[5]-[10]、高线性[11]、[12]和高击穿特性也暗示了它们在无保护电路的低噪声放大器（LNAs）中的有效性。由自发和压电极化效应[13]诱导的高密度二维电子气体（2DEG）使传统的AlGaN/GaN高温晶体管成为耗尽型晶体管,阈值电压(阈值电压)通常是在minus;4V左右。通常，AlGaN/GaNHEMT的阈值电压取决于外延结构的设计，即铝的组成、掺杂浓度和AlGaN势垒的厚度。在器件制造阶段进一步修改阈值电压，会在器件制造和电路应用中提供额外的可变性，特别是在单极性电源电压射频和微波电路中，以及需要的增强型HEMTs。

一种常见的修改电流阈值电压的制造技术，即所谓的“栅凹”技术，是减少栅金属下的阻挡层的厚度。在常用的AlGaN/GaN异质结构中，Al组成在15~35%之间，AlGaN势垒厚度在20nm左右，栅极凹槽处AlGaN厚度的降低导致极化诱导2DEG密度的降低。借助栅金属功能，阈值电压可以发生正偏移。栅凹槽蚀刻的足够深时，阈值电压能达到正值形成增强型HEMT。对于传统的III-V化合物半导体，如基于GaAs和InP的HEMT，有足够的高选择性化学湿蚀刻配方[14]可以应用于凹槽蚀刻。湿式蚀刻法的主要优点是损伤程度低。然而，目前仍缺乏一种兼容的AlGaN/GaN湿蚀刻方法。作为一种替代方法，一种氯基干式电感耦合等离子体重离子蚀刻（ICP-RIE）已被几个小组[15]-[20]用来完成这一任务。这种方法可以有效地修改阈值电压AlGaN/GaNHEMT的正方向。然而，ICP干法刻蚀对材料选择性低，易造成材料表面亚损伤[21]ICP引起的损伤和相关缺陷导致栅极漏电流的增加。700^◦C后快速热退火(RTA)后可以修复损伤[16][19]。然而，在这样的高温下，RTA与栅极金属（例如，Ni/Au）不兼容，所以必须在栅极沉积之前进行。因此，必须在凹蚀刻后进行RTA，然后进行栅极的第二光刻步骤。因此，栅极电极和凹槽蚀刻器不是自对准的。为了避免由非栅控凹槽区域可能引起的较大的接入电阻，栅极电极需要大于凹槽窗口，这对于高集成电路来说是一种不可取的方案。凹陷深度的均匀性以及因此而产生的阈值电压的均匀性是该方法的另一个具有挑战性的问题。

图1.(a)常规AlGaN/GaNHEMT和(b)AlGaN/GaNHEMT的横截面，其固定的负电荷直接包含在栅下

最近，我们展示了一种利用氟基等离子体处理[22]制备高性能自对准增强型AlGaN/GaN HEMT的技术。这种方法不需要改变AlGaN的厚度。阈值电压的控制是通过在等离子体处理过程中注入F^-离子对AlGaN/GaN异质结构的能带进行调制实现的。氟离子具有较强的电负性，并带负电荷，有效地提高了AlGaN势垒和2DEG沟道中的电势。因此，阈值电压可偏移至正值，并可制造增强型HEMT。在栅极电极兼容温度400^◦C的后栅退火被证明是有效的恢复等离子体引起的损伤。等离子体处理和栅极形成是自对准的，保持低接入电阻，这一特性对于实现理想的器件特性(包括高跨导、低通电阻和低拐点电压)至关重要。在本文中，我们提出了一个物理模型来解释带负电荷的氟离子如何影响AlGaN/GaN HEMT的阈值电压。详细的实验结果也将被用于HEMT的制造。本文的组织结构如下：阈值电压的物理模型将在第二节中讨论。在第三节中，描述了器件的制造过程。第四节讨论了CF4等离子体处理和栅极后退火对AlGaN/GaN HEMT直流和射频特性的影响。第五节给出了我们研究的结论。

2、 阈值电压的物理模型

对于具有Si调制掺杂层的传统AlGaN/GaN HEMT，如图1(a)所示，在计算HEMT的阈值电压时需要考虑极化电荷。对常用公式[23]进行修正，考虑电荷极化、表面和缓冲陷阱的影响，AlGaN/GaN HEMT的阈值电压可表示为

其中，这些参数的定义如下：

1. 中的最后两项分别描述了表面陷阱和缓冲陷阱的影响。AlGaN表面位于x=0处，指向通道的方向是积分的正方向。现在让我们考虑一种情况，在栅极下的AlGaN阻挡层中引入一定量的固定负电荷，如图1(b)所示，由于静电感应，这些不移动的负电荷可以耗尽通道中的2DEG，提高能带，从而调制阈值电压。包括被限制在AlGaN势垒中的负电荷的影响，修正后的阈值电压[来自（1）]

1.1.2

正电荷的分布曲线N_si(x)改为净电荷分布N_si(x)minus;N_F(x)，其中N_F(x)是带负电荷的氟离子的浓度。表面陷阱密度( )可以通过等离子体处理进行修饰。对等离子体处理导致的表面陷阱变化的研究正在进行中。

图2.

CF₄处理的氮/氮异质结构中的氟原子分布等离子体和各种栅后RTA，用SIMS测量。使用未经处理的设备作为参考。发现这些氟离子被CF₄并入AlGaN阻挡层等离子体处理，可有效改变阈值电压正[24]。F^minus;通过二次离子质谱（SIMS）测量，证实了离子在AlGaN层中的掺杂情况。如图2所示，CF₄期间等离子体处理后，氟离子在射频功率刺激的自建电场中植入AlGaN/GaN异质电场中。这一过程类似于等离子体浸泡离子注入(PIII)[25]-[27]，这是一种在先进的硅技术中实现超卤化P-N结的技术。从图2.中所示的结果中也可以得出这个结论。注入的氟离子在AlGaN层中具有良好的热稳定性，最高可达700^◦C. 应该注意的是，尽管存在着F^minus;离子被证实为阈值电压位移的原因，目前尚不清楚是什么位置，无论是间隙是被取代还是F^minus;离子占据。为了清楚地了解，需要对与F^-离子相关的陷阱状态进行进一步调查。近年来，我们对经CF₄等离子体处理的HEMT样品进行了深度瞬态光谱(DLTS)研究。我们观察发现，加入到AlGaN势垒中的F^-离子引入了一个深度态，该态至少比导带最小值低1.8eV。因此，氟离子被认为在AlGaN的深层引入了一个带负电荷的受体。

图3.模拟了没有CF₄等离子体处理的（a）传统的耗尽型AlGaN/GaNHEMT和没有CF₄等离子体处理的(b)增强型AlGaN/GaNHEMT的导通带图；(c)显示了这两种器件的电子浓度。

应用泊松方程和费米－狄拉克统计量，模拟了导带分布AlGaN/GaNHEMT结构的分布氟离子中加入AlGaN层。这两种结构具有相同的外延结构，如图1(a).所示。对于加入HEMT结构的F^-离子，带负电荷的F^-离子的分布是从一个AlGaN/GaN HEMT结构的氟原子分布的SIMS测量结果中提取的，该结构被CF₄等离子体在150W下处理150s并转换为一个增强型HEMT[22]。图3(a)和(b).中绘制了零栅极偏置下的模拟电导带图。对于增强型HEMT的模拟导通带，如图3.(b)所示，氟的浓度近似为通过采用线性分布，峰值F^-浓度为3times;10¹⁹cm^minus;3在AlGaN表面，假设氟离子浓度在AlGaN/GaN界面上的浓度可以忽略不计。总的F^minus;浓度为sim;3times;10¹³cm^minus;2不仅足以补偿Si掺杂(sim;3.7times;10¹³cm^minus;2)，但也补偿了压电和自发极化诱导的电荷(sim;1times;10¹³cm^minus;2).可以观察到两个重要的特征。首先，与未处理的AlGaN/GaNHEMT结构相比，等离子体处理的结构具有其2DEG通道的导带最小值在费米能级以上，表明一个完全耗尽的通道和增强型HEMT。如电子图谱3(c)所示，在等离子体处理的结构中，在零栅极偏置下的通道中没有电子，这表明存在增强型HEMT操作。第二，静止地带负电荷的F^minus;离子引起导带向上弯曲，特别是在AlGaN势垒中，产生一个额外的势垒高度Phi;F，如图3(b)所示，这样一个增强的屏障在反向和正向偏置均能显著抑制AlGaN/GaNHEMT的栅极肖特基二极管电流区域。关于阈值电压控制和栅极漏电流抑制的详细实验结果将在第四节给出。

3、器件制备

本文中使用的AlGaN/GaNHEMT结构，如图1(a)所示，在Aixtron AIX 2000 HT金属有机化学蒸汽沉积（MOCVD）系统中，在（0001）蓝宝石衬底上增长。这里显示的所有器件都是由同一个2英寸的晶片制作而成的。详细器件在[22]中已经给出了制造步骤。与传统的AlGaN/GaNHEMT的制备相比，增加了两个不同的步骤。首先，在栅极电极沉积之前用CF₄处理栅极区域在STSRIE系统中的等离子体。处理在室温下进行，气体流量控制在150sccm。等离子体处理的栅极区域和栅极进行自我定位。采用不同的CF_４制备了具有不同阈值电压的器件等离子体功率和处理时间。第二，在栅极金属沉积后，样品在400^◦C处退火时间为10分钟。我们选择这个RTA的温度需要注意，因为RTA的温度高于500^◦C可以降低栅肖特基接触和源、漏欧姆接触。稍后将证明，在RTA温度为400^◦C时，可以有效地恢复等离子体处理诱导的损伤。相比之下，没有CF₄的HEMT等离子体处理也被制作在相同的样品和在相同的处理运行。所有的器件都未钝化，以避免任何由钝化层引起的混淆，这可能会改变AlGaN层的应力，改变压电极化[28][29]。所有HEMT器件的栅极长度均为1micro;m，源栅极间距均为Lsg=1micro;m和栅漏间距为Lgd= 2 micro;m.

4、CF₄等离子体处理和栅后退火的影响

A.阈值电压控制

采用HP4156A参数分析仪测量了制备器件的直流电流电压（I-V）特性。传输特性和跨导特性的特征如图所示。分别为（a）和(b)。采用传统的HEMT（即不含CF₄等离子体处理）作为基准设备，为所有其他CF₄的阈值电压等离子体处理后的HEMT向正方向偏移。定义阈值电压为漏极电流在跨导峰值点的线性外推的栅偏置截距，提取所有器件的阈值电压并列于表一。对于传统的HEMT，阈值电压是minus;4v。对于经CF₄处理的HEMT等离子体在150W下持续150秒，阈值电压为0.9V，对应于增强型式HEMT。最大值阈值电压移位达到4.9V。为了进一步揭示CF₄等离子体处理的效果，阈值电压对CF₄等离

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