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高k钝化层对肖特基AlGaN/GaN异质结HEMT击穿电压的影响

1.简介

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）是用于高频和高功率微波应用的有前途的器件。微波和毫米波器件是微电子技术一个非常重要的研究方向，在集成电路、电子通讯和民商业领域有着广泛的应用，例如雷达、移动电话、无线通信、个人通信网、卫星定位系统等方面。近年来，以SiC、GaN为代表的第三代宽禁带半导体微波功率器件的研究开发引起很多的关注，这类材料制成的器件具有优良的微波性能，非常适宜在高压、高频、高温（大于500℃）、强辐射的环境下工作。这是由于HEMT具有更高的击穿电压（BV）和较高的薄片载流子密度特性，从而可以降低功率电子应用中的导通损耗和开关损耗。在Ⅲ族氮化物中，除 InN (=0.7eV)外，GaN和AlN都属于宽禁带半导体。GaN基电子器件主要以AlGaN/GaN和InAlN/GaN 异质结HEMT为主。GaN基器件现在主要有MOSFET、HEMT和MESFET 等类型。应用较为广泛的是MOSFET和HEMT(High Electron Mobility Transistor)，而GaN HEMT中较为成熟的是AlGaN/GaN HEMT。

有许多技术可用来改善HEMT器件的击穿电压，例如:（i）在栅中引入朝着漏极端延伸的场板（ii）肖特基源极漏极接触技术（SSD）和（iii）在栅极和漏极之间引入钝化层，电流崩塌是影响 GaN HEMT 实用化的主要原因之一。钝化可以抑制器件的电流崩塌，不仅提高器件的可靠性，对器件的功率特性有很大影改善。通常的钝化层采用绝缘介质(Si3N4或者SiO2)。

前两种技术以较低的频率性能为代价来提高击穿电压。在第三种技术中，钝化层主要具有两个功能，一个是保护来自外部源的设备的顶层，另一个功能是减少峰值在栅极区域的漏端视场分布。这样就会平滑了漏极电流，其最终导致击穿电压的提高。实验结果表明，钝化器件可提供更高的击穿电压，而不会降低其他性能参数。

为了提高肖特基AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的击穿电压，对钝化层中不同的高k材料进行了分析和优化。观察到钝化层中不同高k介质的关态击穿电压增强。该器件具有1.5mm的和高k钝化层，具有较高的关态击穿电压。高k（~HfO2）钝化层的关态击穿电压最高可达380v，并用实验数据进行了验证。改进后的漏电流和跨导分别为0.51a/mm和143ms/mm。结果表明，肖特基源漏接触（SSD）高k钝化AlGaN/GaN器件适合大功率应用。已知钝化电介质有效地使未去离子的III-N化合物半导体界面处的悬空键饱和至真空。因此，在III-N半导体/真空界面处进行优化的钝化处理可能会产生诸如界面中净表面电荷的中和之类的可能性，这主要是由极化的GaN帽或AlGaN势垒以及由于悬空而产生的残留表面状态引起的。键，吸收的离子或电荷表面残留的氧化物。A1GaN／GaN肖特基势垒二极管和A1GaN／GaN高电子迁移率晶体管HEMT(High ElectronMobility Transistor)是一同发展的，通过多年的不懈努力，A1GaN／GaN肖特基势垒二极管正逐步走向成熟。肖特基二极管的反向阻断特性是众多研究人员重视的方面，最有效提升耐压而不影响正向特性的方式就是在肖特基二极管的阳极上连接场板。

在本文中，所述二维电子气（2DEG）沟道电流具有不同的高k钝化层进行分析，以研究该装置的击穿特性。钝化层的作为相对介电常数的函数的效果（ɛ_r），进行了模拟使用的Synopsys技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，发现在增加ɛ_r可以提高击穿电压。

AlGaN / GaN HEMT器件的结构

拟议的AlGaN / GaN HEMT器件由几个堆叠层组成，并安装在碳化硅（SiC）半绝缘衬底上。器件的截面示意图和材料参数分别如图1和表格1所示。

图1 AlGaN / GaN HEMT器件结构

表格1 AlGaN / GaN HEMT器件尺寸

图2 AlGaN / GaN HEMT器件的能带分布

图3 AlGaN / GaN HEMT器件的I-V特性

在这里有一个3 mu;m栅极长度（）的装置被用于实验分析。在SiC衬底上生长未掺杂的GaN缓冲层，以减少晶格失配，以及相关的陷阱和沟道层上的缺陷带来的的影响。在缓冲层之后，在GaN沟道和未掺杂的AlGaN间隔层之间的界面处形成2DEG沟道。接着是n掺杂的AlGaN势垒层，该势垒层用于向量子陷阱提供电子，以改善沟道中的薄层载流子密度。在AlGaN势垒层中，需要更高数量的铝摩尔分数才能获得更宽的带隙和增强的极化度。然而，较高的摩尔分数会增加缺陷密度，所以其中的Al浓度固定到0.26。此外，在栅极和阻挡层之间结合有盖层，该盖层主要具有三个功能：（i）防止外延表面氧化；（ii）降低金属半导体接触电阻；（iii）降低总电容。此外，它提供了对信道更好的栅极控制和有效地抑制了漏极连接视场，以使高击穿电压。最后，对整个装置进行钝化处理，具有相对介电常数的介电材料（ɛ_r）和厚度为0.1 mu;m。

源极和漏极肖特基接触由Ni / Au的堆叠层组成。这种堆叠的肖特基接触端子进一步提高了HEMT器件的漏极电流和击穿电压。

这个能带图用来解释AlGaN / GaN HEMT异质结异质结中2DEG沟道的形成。AlGaN和GaN之间的带隙不连续会在界面处引起能带弯曲过程。带弯曲的方式是使GaN的导带（）降至费米能级（）以下，并在界面处形成陷阱。该阱称为量子阱，并且该阱内部的电子服从电子波特性。GaN和AlGaN中与强极化场相关的大波段不连续性允许在器件中形成大的2DEG浓度。由于在GaN通道中没有掺杂，因此与杂质相关的电子散射在该区域较小。就这样2DEG区域中的电子具有较高的迁移率，因此产生了高速器件。

1. 结果与讨论

在此模拟了具有不同钝化层的SSD AlGaN / GaN HEMT器件，并分析了漏极电流，跨导，频率和击穿电压的改善。在图3中，显示出了相对于欧姆接触HEMT的肖特基接触HEMT的漏极电流改善。使用实验数据对该结果进行了验证，并且与欧姆接触钝化HEMT的仿真结果非常吻合。

所述SSD接触技术来调制的镍（金属源）内所形成的肖特基势垒高度，并通过施加电GaN沟道连接场。由于带弯曲工艺，导通电阻将变差，同时增加通道中的薄片载体密度。此外，与GaN和AlGaN相关联的更高的自发极化和压电极化场导致在AlGaN/GaN异质界面处形成更多的2DEG，AlGaN / GaN异质界面有效提高了片载流子密度，从而提高了器件的漏极电流。对于不同的栅极电压，通过将漏极电压从0 V扫到50 V来测量漏极电流。肖特基接触钝化层器件的漏极电流为0.51 A / mm，在相同尺寸下，欧姆接触HEMT的实验数据为0.45 A栅电压为2 V时的漏极电流为0.54A/ mm。这清楚地表明，与实验钝化欧姆HEMT相比，钝化SSD HEMT的漏极电流提高了13％ 。

图4显示了SSD HEMT上不同的高k钝化时漏极电流的改善。根据该结果，清楚的是自355毫安/毫米的漏极电流增加为的SiO ₂（εr frac14; 3.9）489毫安/毫米为高k钝化（εr frac14; 60）。对于不同的钝化层HEMT，漏极电流显示出相当大的改善。在漏极电流的改善是由于这样的事实，所述高k钝化减小了表面效应和平滑的漏极-栅极连接场。这实际上将增加通道中的电荷密度。另外，从模拟的结果，可以观察到，该器件的阈值电压不受影响，并且它被连接固定的至2V这是由于GaN覆盖层的影响，并在下栅极接触沟道的更好的控制。负阈值电压（Vtfrac14;— 2 V）所暗示的，该设备在耗尽模式（d-HEMT）工作。设备正常开启的原因是由于异质界面和2DEG通道上的高极化效应。

在漏极电流的增加积极地影响由关系克跨导米frac14;Delta;我d / Delta; V GS，其中 Delta;我d是在漏极电流中的变化和Delta; V GS是栅极电压的变化。

具有传统的和不同的高k钝化的器件的跨导如图5所示。这里/被用于钝化（高k获得跨导143毫秒的高值毫米εr frac14; 60）相比，用132毫秒/毫米的常规钝化（设备装置在偏压门处电压0.604 V的栅极偏置εr frac14; 3.9）这清楚地表明，与传统的钝化设备相比，高k钝化SSD HEMT的跨导性提高了8.5％。在较高的栅极电压值下，2DEG趋于平衡，而对于较高的值，跨导降低。因此，电流密度不再与栅极电压成比例地增加。

由于跨导克米增加截止频率f也由关系增加 ftfrac14; gm/2pi;（CgdbCgs）。器件中盖层的存在，跨导的增加以及总电容的降低表明器件的RF性能得到了改善。因此，高k钝化器件的整体RF性能使其适合于高功率应用。

借助两端口网络模拟了设备的微波特性。针对不同的高k钝化层模拟了微波参数，例如截止频率（），最大振荡频率（）和高频功率，汇总结果列于表2中。相对介电常数为60的高k钝化设备提供的击穿电压为420 V时，输出功率为5.01 W / mm。与常规钝化相关的功率值较低，是由于其跨导和电流降低了。可以理解的是，为了获得更高的器件性能，使用了高k钝化层，因为它具有更高的跨导性。还针对高功率应用分析了同一器件的击穿电压。

1. 使用高k钝化的击穿电压分析

利用栅漏电流分析法计算了三端关断态击穿电压。这里，击穿电压定义为漏极端的关断状态泄漏电流增加到1 mA/mm时的电压。在现有的工作中，对击穿电压分析的类似趋势进行了研究。图6和图7显示了不同高k值下模拟的漏极和栅极泄漏电流(ɛR=3.9、7.5、10、20、40、60）钝化。

表格2 具有不同高k钝化材料的AlGaN / GaN HEMT RF和功率特性

图4 漏极电流与栅极电压的关系

它清楚地表明，在较低的ɛr、 由于栅区漏端的电场较高，因此会发生碰撞电离并产生电子-空穴对。产生的空穴向栅极聚集，电子向漏极聚集，导致突然的故障。在较高的值ɛ _{- R} ，所述连接在所述栅极区域平滑的漏端视场分布和降低碰撞电离率。因此，在栅极漏电流（I逐渐增加_克）在高k钝化设备（被看作ɛ _{- R} 4 20），并且它不突然增大。因此，与低电介质钝化器件相比，具有高钝化的器件提供了更高的击穿电压。在击穿条件下，漏极电流突然增加，几乎等于源极电流。

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