（微电子学与固体电子学专业论文）algangan+hemt器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型.pdf

摘要 摘要 电流崩塌效应( c u r r e n tc o l l a p s e ) 是影响a l g a 刚g a nh e m t 器件在微波大功 率领域大规模应用的主要因素。随着表面电子陷阱被来自栅电极的电子填充，在 栅漏之间接近栅极的器件表面出现了负电荷的积累，从而形成一个带负电的虚栅。 在该虚栅的控制下，使得虚栅对应的沟道电阻增大，从而形成电流崩塌。电流崩 塌不仅使输出漏电流下降，而且升高了器件的膝点电压，使得输出功率下降，并 且严重降低了器件的可靠性。 本文从实验出发，介绍了一种在直流扫描过程中出现的电流崩塌现象直流 扫描电流崩塌现象。文中对直流扫描电流崩塌现象进行了大量的实验研究，研究 发现：1 ) 直流扫描电流崩塌主要发生于高漏压区；2 ) 直流扫描电流崩塌随着扫 描范围的增加而增加，并最终在2 0 v 左右达到饱和。在此过程中膝点电压也不断 地升高，在2 0 v 左右达到最高值；3 ) 直流扫描电流崩塌的发生需要一个闽值，只 有当漏栅电压大于该阈值时，才会发生崩塌；4 ) 直流扫描电流崩塌与扫描方式也有 密切的关系。 本文对直流扫描电流崩塌的机理也做了深入地研究。并且在此基础上提出了一 种简单的崩塌模型。模拟结果与实验结果比较，显示了比较良好的一致性。 关键宇：a l g a n g a nh e m t 直流扫描电流崩塌模型 a b s i r a c t a b s t r a c t c u 玎e n tc o l l 印s ei sam a j o rf a c t o ro fr e l i a b n i t ya 芏l do u t p u tp o w e rw h i c he 仃e c t st h e a p p l i c a t i o no fa l g a n 船a nh e m t so nm i c r o w a v ep o w e ra r e a c u r r e n tc o l l a p s e i s c a u s e db yt h ec h a n n e lr e s i s t o ru n d e rg a t e d r a i ns u r f a c ew h i c hi n c r e a s e sa l o n gw i t ht h e e l e c t r o n s 矗o mg a t ei n j e c t 也es u f f 矗c et r a p sb 融w e e ng a t ea n dd r a i n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，o n e 虹i l do fc u r r e n tc o l l 印s ep h e n o m e n ai sp r e s e n tw h i c hw e c a l k dd cb i a sc u r r c mc o l l a p s c a fl a f g en u m b e r so fe x p e r i m e n t s ，i ts h o w s ：i ) t h e d cb i a sc u 玎e n tc o l l 印s ej u s to c c u r si nh i g h d r a i na r e a ；i i ) t h eq u a n t i t yo fd cb i a s c u r r e n tc o l l a p s ea n dk n e ev o l t a g eg r o wa st h ei n c r e a s eo fs c a nf a n g co fd r a i n s o u r c e v o l t a g ea n dt 1 1 e ya l ls a t u r a t ea t2 0 vd r a i n s o u r c ev o l t a g e i i i ) at h r e s h o l dv 0 1 t a g e b e t w e e nd r a i na r l dg a t ei sn e e dt oi n d u c ed cb i a sc u r r e n tc o l l a p s e i v ) c n r f e n tc o l l a p s e h a ss o m e t h i n gw i t ht h eb 融s c a i lt y p e b a s e d0 nt h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r ya b o u td cb 妇c u 玎c n tc o l l 印s e ，a n a n a l y t i c a lm o d e lf o rt h ec u r r e mc o l l a p s ei sd e v e i o p e dc o n s i d e r i n gt h ee 饪毫c t s o f p o l 撕z a t i o na n ds u r f a c es t a t e s t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o n sa n dp h y s i c a l m e a s u r e m e n t ss h o w sag o o da g r e e m e n t k e y w o r d s ：a l g a n g a nh e m td cs w e e p c u r r e n ts i u m pm o d e i 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科披大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电予科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密论文在解密 后应遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 第一章、绪论 1 1g a nh e m t 器件研究背景 随着通信技术的发展和人们需求的增加，无线通信技术正在快速地渗透到人 类活动的几乎所有领域。作为无线通信技术的核心元件，微波功率晶体管越来越 受到人们的重视。g a a sm e s f e t 在过去2 0 多年的发展中，其性能几乎达到了材 料的极限。在二十世纪八十年代后期，人们曾尝试用各种方法提高其性能，但最 高功率密度也只能达到1 5 7 w ，蝴1 1 g h z l l l 【2 1 ，并且这是在牺牲工作频率的情况 下获得的。 二十世纪九十年代初，采用s i 烈4 绝缘层的i n pm i s f e t 获得了创纪录的功率 密度1 8 w m m 3 0 g h z1 3 1 。然而，无法避免的高密度界面陷阱导致i n pm i s f e t 器 件的i v 特性不稳定，以至于很少投入使用。i n ph e m t 器件的成功研制获得了 1 4 5 w m m 3 0 g h z 的微波功率密度，同时拥有出色的i v 特性【4 】oi n p 器件的微 波功率特性之所以优于g a a s ，主要在于i n p 具有更高的击穿电场强度和更高的饱 和电子速度，但是i n p 器件在微波大功率应用方面取代g a a s 器件并不能获得很大 的提高p j 。在工作频率达到l o o g h z 或更高时，i n p 材料的优点才能发挥。相比 g a a s 器件，i n ph b t 器件主要是在高速和低功耗模数混合应用方面具有很大优 势。 为了满足未来无线通信应用( 特别是无线基站等) 对高频大功率器件的需要， 从二十世纪九十年代初开始，研究人员将研究重心开始转向宽禁带半导体器件。 宽禁带半导体是指禁带宽度大于2 6 e v 的半导体材料，是继第一代硅、锗和第二代 0 a a s 、i n p 等材料之后的第三代新型半导体材料，目前以碳化硅( s i c ) 、氮化镓 ( g a n ) 为代表。由于宽禁带半导体具有独特的材料特性，如宽禁带、高击穿场强、 高饱和电子速度等，从而使得宽禁带半导体材料非常适合微波大功率应用。 图1 1 给出了常见微波功率器件的应用范围和潜力。从图中可以看出，击穿电 压较高的器件只有s i cm e s f e t 和g a nh e m t 。器件最大输出功率密度可以描述 为p 。= i 。v 。，8 ，其中v 。通常等于击穿电压，i 。为最大工作电流。由于 s i cm e s f e t 和g a nh e m t 器件具有很高的击穿电压，因此可以获得高的微波功 率密度。因此，基于s i c 和g a n 材料的微波功率器件成为近十年来微波功率领域 的研究热点之一。 !a l g a n g a nh e m t 器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型 p e a kc u t o f ff r e q u e l l c y ( g h z ) 幽1 1 常见微波功率器件的应用满力 现有研究已经表明，s i cm e s f e t 微波功率器件的截止频率和最高振荡频率 都在2 0 g h z 范围以内，所以s i c m e s f e t 器件最适合在7 g h z 以下的频率范围内 使用。而由于a 1 g a n 佑a n 界面形成的二位电子气( 2 d e g ) 具有很高的迁移率和载流 子面密度，所以a 1 g a n g a nh e m t 更适合于高频大功率应用。而且a l g a n g a n h e m t 结构可以在s i c 衬底上生长，从而可以利用s i c 的高热导率特性。 a l g a n g a nh e m t 已经被认为是1 5 0 g h z 范围内最理想的微波功率器件。另外， 由于在材料生长工艺和器件工艺技术方面g a n 领先于其它宽禁带半导体( 如s i c 和金刚石) ，所以在高频大功率应用中g a n 器件更具吸引力因此，ga _ n 微波功率 器件特别是a 1 g a n g a nh e m t 器件在国外得到优先的研究。 g a n 室温下禁带宽度为3 4 e v ，击穿场强大于3 m v c m ，电子饱和速度和峰值 速度分别为1 5 1 07 c m 居和3 x l o7 c 叫s 【6 l 。而且由于a l g a n ，g a n 异质结结构的独特 特性，使得即使在没有任何掺杂的情况下，仅通过极化应力就可在a l g a n g a n 异 质界面的量子阱中产生高达1 0 1 3 圮m 2 的二维电子气( 2 d e g ) 密度【孔。这些特点使 a l g a n g a n 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 成为理想的高温、高频、大功率器件， 特别在微波大功率应用方面，已经得到广泛的关注【8 j 1 9 j 【l o 】。 自1 9 9 3 年第一个蓝宝石基的a l g a n g a nh e m t 问世【】至今，随着材料生长 质量的不断提高，器件制作工艺的不断完善，g a n 微波功率h e m t 的研究取得了 突破性的进展。在直流特性方面，日本的n 撕h i k o 等采用新型的背掺杂( b a c k d o i n g ) 和沟道掺杂( c h a n n e ld o p i n g ) 方式，在势垒层厚度仅为1 2 n r n 的a l g a n g a nh e m t 一一ou岁是一o_11、01)i博2 第一章绪论 上得到了浓度高达3 1 0 7 c i n s 的二维电子气【1 2 l ；另一个日本研究小组采用槽栅结 构，实现了蓝宝石衬底上最大跨到为4 5 0 m s 眦n 的g a n 基h e m t i ”j 。微波功率方 面，日本的f u j i t s u 实验室报道了输出功率为1 7 4 w ( 6 0 v ) 的g a n 基h e m t 放大 器1 1 4 】；美国的w u 等人( 15 】利用a l g a n 姬a n 异质结构材料制造出x 波段连续波功率 密度和功率附加效率分别达到3 2 w m m 和5 4 。8 的a l g a n g a nh e m t 器件，这高 出g a a s 微波功率器件功率密度3 0 倍以上。a l g a n g a nh e m t 从s 波段到k a 波 段均表现出超强的微波功率特性【l “。 尽管a l g a n g a nh e m t 器件在微波大功率特性方面取碍很大的进步，但是仍 然存在一些问题，比如电流崩塌、高热阻引起的温度上升和高温载流子输运特性 的理解等。在这些问题中，电流崩塌最为重要。这是因为微波输出功率受到电流 崩塌效应的限制。一个典型的h e m t 器件的i v 输出特性曲线如图1 2 所示， l d s 图1 2 典型的h e m t 器件i v 输出特性曲线。虚线所包闸的区域对应 最大的输出功率三角形，a b 两点所连成的直线为最人输出功率对应的负载线 由图可知，器件在放大区的最大输出功率可以表示为： 1 p = 吉j 埘“( 虼r “w 一攻脱) ( 1 一1 ) o 式中i d s m a x 和v k n e e 分别为器件在直流扫描下测得的最大输出电流和膝点电压， v b r e a k d o w n 是器件的击穿电压。然而由于电流崩塌效应的存在，使得器件在高频 工作过程中，电流下降、膝点电压升高，从而使输出功率比式( 1 1 ) 计算所得的 值有明显的减小。r 锄a s h i l a 等人已经从实验角度对该问题进行了研究，试验发 现在4 1 8 g h z 的范围内，g a nh e m t 器件的输出功率明显的小于i v 特性曲线的 预计值l l ”。 ! a 1 g a n g a nh e m t 器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型 目前已有许多人就电流崩塌问题进行了研究与分析，然对电流崩塌产生机理 的一些细节问题还没有一个统一的认识。下一节我们将详细讨论g a nh e m t 中电 流崩塌现象。 1 2 1 电流崩塌现象 1 2g a n 髓m t 中的电流崩塌现象 自人们发现电流崩塌现象起，g a nh e m t 器件中的电流崩塌现象( c u r r e n t s l u m p ，c u n e n tc 0 1 l a p s e ，i 溥d i s p e r i s i o n ，c u r r e n td i s p e r i s i o n ) 就有多种不同的描述方 式。总的来说，g a nh e m t 器件中的电流崩塌可以定义为：在一定条件下漏电流 i d 比预想值下降的现象。 蜘辨撕”f 雠￥o l 融拶，v l 却 图1 3 ( a ) k h a n 等人观察剑的电流崩塌现象 麈俐 * * - * _ ， _ * 一 瀚 图l ，3 ( b ) k o h n 等人观察到的电流崩塌现象 根据崩塌条件的不同，电流崩塌现象出现了不同的描述方式。第一种方式源 自k h a n 等人的实验观察结果，如图1 3 ( a ) 所示【1 8 】，当g a nh e m t 源漏电压较高 时，器件的输出电流大大减小，后来很多研究者都把这种现象称为电流崩塌效应 o ”j 。第二种是1 9 9 9 年由德国的k o h n 等【2 0 】首先报道的，他们在实验中发现了 a l g a n ，g a n 基调制掺杂场效应晶体管( m o d f e t ) 的高频频散现象，而且r f 信 号下器件的输出功率明显减小。如图图1 3 ( b ) 所示，他们称这种现象为“r fp o w e r c o m p r e s s i o n ，这是第一次关于a l g a n g a n 器件在r f 信号下电流崩塌效应引起输 出功率减小的报道。在此之后，又有不少研究小组报道了g a n 基h e m t 在r f 信 号下输出功率密度和功率附加效率减小的现象1 2 1 】1 2 2 】1 2 3 j ，这被称为r fd i s p e r s j d n ”， 主要是指器件在r f 信号下测量得到的输出功率相对于公式( 1 1 ) 计算所得到的功 0 8 6 ? 棼 苗l蓐嚣h簪#博盛 第一章绪论 率值有明显的减小。 以上两种现象都会使器件的输出电流减小，膝点电压增加，最终导致器件的 输出功率密度和功率附加效率减小，器件性能恶化，所以很多学者在描述时都称 为电流崩塌效应。 除此之外，栅延迟、漏延迟与应力之下的电流崩塌也为人们研究的重点。漏 延迟是指栅压固定，在漏极加一脉冲电压，漏电流会小于脉冲前的电流值，并且 在脉冲结束后，漏电流要经过一段时间后才能恢复到脉冲前的大小的现象。研究 表明这种漏延迟与g a n 缓冲层有关，在g d nm e s f e t 器件中也观察到这种崩塌现 象，而且实验结果表明这种崩塌不受表面钝化的影响，因此可以确定它是由缓冲 层中的电子陷阱产生的【2 4 】。栅延迟是指漏压固定而在栅极上加上一个脉冲电压时， 漏电流小于脉冲之前的电流值，并且当脉冲结束后漏电流也需要经过一段时间才 能恢复的现象。栅延迟是当前关于g a nh e m t 器件电流崩塌现象研究的热点。图 1 4 给出了产生栅延迟电流崩塌时漏电流随栅压而改变的曲线。当栅压为正时，漏 电流很大。如果在栅极加一负脉冲，使楼电流央断，然后再让栅压恢复到零，漏 电流就不能恢复到零栅压时的值( 虚线) ，途中的实线和点线分别给出不同器件在 栅压回归到零时的恢复电流。点线同虚线接近一些，电流崩塌就小一些。 i ，o 图1 4 电流崩塌的栅延迟 以上所有的现象都表明；在a l g a n g a nh e m t 器件中存在着陷阱，正是由于 这些陷阱的存在才使得输出漏电流下降、膝点电压上升，进而使输出功率下降， 小于预计值。 a 1 g a n g a n 舵酊器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型 1 2 1 电流崩塌现象的解释模型 自从电流崩塌现象被发现以来，人们就对它进行了深入的分析，并提出了一些 合理的模型来解释电流崩塌现象，但到目前为止还没有一个模型可以完全地解释 g a nh e m t 中的崩塌现象。这里列出了两种主要的解释电流崩塌的模型：应力模 型与虚栅模型。 美国南卡罗莱纳州大学的s i m i n 等人首先提出了造成g i nh e m t 电流崩塌的 应力模型。他们用g t l m ( g a t e dt r a n s m i s s i o nl i n em o d e l ) 测量方法分析g a nh e m t 和m 0 s h f e t 的瞬态i v 特性时发现：发生电流崩塌的器件在r f 工作下，源、栅、 漏极之间的串联电阻发生了变化1 2 5 】1 2 6 】【2 7 1 。所以他们认为g a nh e m t 电流崩塌是由 于源、栅、漏极之间的串联电阻的变化引起的。实验中，加在栅极上的负偏压在 a l g a n g a n 异质结界面建立了一个和压电极化方向相同的电场，在该电场的作用 下，增加了栅极下a l ga _ n 势垒层的张应力，由此增加了栅源和源漏之间的压应力， 减小了极化电萄密度，从而增加了它们之间的串联电阻。这些区域极化电荷的减 少只能由响应速度较慢的极化电荷或陷阱来抵消。因此在高频工作时，跟不上电 压变化的频率，使得输出电流减小，引起电流崩塌。后来又有研究者发现g a n 基 的h e m t 、s i 0 2 一m o s h f e t 的r f 电流崩塌现象基本相同【2 8 j ，而s i ，n 4 一m l s f e t 结 构的f e t 却可以大大地减小电流崩塌。这个结果给应力模型提供了有力的证据。 因为s i 3 n 4 是一种硬质钝化物，所以淀积在器件表面可以阻止a l g a n 势垒层应力 的变化，从而减小栅源、栅漏之间的串联电阻的变化，防止由于电压的升高而带 来的电流崩塌效应；而与此相对应s i 0 2 是软性介质，对应力的变化起不到阻止作 用，所以对抑制电流崩塌效应的贡献很小。 但应力模型还存在一些问题。t a n 等人在2 0 0 3 年重新研究了s i 0 2 m o s h f e t 和s i 3 n 4 m i s f e t 结构的电流崩塌程度，却发现两者的崩塌量几乎相同。这一结论 基本否定了电流崩塌的应力模型【z 9 】。而且他们发现，在n 2 气中快速退火可以大大 提高s i 0 2 一m 0 s h f e t 的输出电流，抑制电流崩塌，这个现象也很难用应力模型来 解释。此外l u o 等人也观察到s i 0 2 在抑制电流崩塌上强于s i 3 n 4 【3 0 l 川【3 2 l 。其它的 实验现象，比如m o s 和m i s 结构不能完全消除电流崩塌，用同样的生长方法和 器件工艺制作的器件却表现出不同的电流崩塌现象，也无法用应力模型来解释， 所以电流崩塌的应力模型还有待进一步的证实和完善。 虚栅模型是当前被普遍接受的模型，也是最成熟、最有说服力的模型。1 9 9 9 年，k o l l i l 等人在分析g a n 基m o d f e t 的高频频散现象时，就提出了栅、漏极之 自j 形成虚栅，限制了沟道电流，从而减小了微波输出功率的虚栅模型 2 0 l ，但那时 他们没有对该模型展丌深入详细的讨论。直到2 0 0 1 年，v e t u r y 等人用浮栅法 第一章绪论! ( f l o a t i n gg a t e s ) 研究a l g a n g a nh e m t 的表面态效应时，发现了器件表面存在 大量的负电荷和表面势负偏的现象，并由此提出表面态俘获电子形钱虚栅，最终 导致r f 电流崩塌的虚栅模型7 j ，图1 5 示出了一个虚栅模型的原理简图。v c t u r y 等人认为，由于a l g a n g 矗n 异质结结构存在比较强的极化侔用，在异质结界面 g a n 一侧将得到浓度很大的二维电子气( 1 0 ”c m 2 ) ，根据电中性要求，器件表面 必然会感应出大量的正电荷态，这些正电荷在器件工作过程中俘获电子。这就好 比在栅漏电极之间存在另一个栅极，这就是所谓的虚栅。由于这些表面态能级的 充放电时闯通常很大，赶不上r f 信号的频率，所以在r f 信号下，虚栅会调制沟 道电子的浓度，使器件输出电流减小，膝点电压增加，输出功率密度和功率附加 效率减小，形成崩塌。 v i r l 雠lg n t c a i g a f 图1 5 虚栅模型原理简图 虚栅模型能够很好地解释r f 信号电流减小的原因，但这个模型本身仍有很多 问题。首先，对形成虚栅的电子的来源，虚栅对沟道电流的调制机理等问题存在 不少争议；其次，虚栅模型在解释i 江电流崩塌程度与势垒层厚度、掺杂浓度的关 系以及与栅极结构、测量温度的关系上也碰到一些困难。所以虚栅模型的合理性 还需要进一步的探讨。 1 2 3 减小电流崩塌的措施 自g a n 基器件的电流崩塌现象被发现以来，研究者们就不断地努力来减小甚 至消除电流崩塌现象。当前，能够有效地减小崩塌的方法主要有两种：器件表面 钝化法和加帽层的方法。其中，器件表面钝化的方法比较常用。 2 0 0 0 年，u c s b 大学的g r e e n 等人在实验中发现，利用钝化的方法可以有效 ! a 1 g a n g a nh e m t 器什直流扫描电流崩塌机理及其物理模型 地减小g a nh e m t 的电流崩塌。他们在已完成电极的器件表面，用p e c v d 方法 淀积一层厚为3 5 0 n r n 的s i 3 n 4 薄膜，如图1 6 所示。实验结果发现，经过s i 3 n 4 钝 化的g a nh e m t 器件的输出功率密度提高了一倍，他们得到了输出功率密度为 4 0 、w m m 、功率附加效率为4 1 的ga _ nh e m t 。这一结果代表了当时的最高水平。 之后，多个研究小组也先后证实了s i 3 n 4 钝化的方法可以有效地抑制电流崩塌【2 3 l 。 图1 6s i 州4 钝化示意圈 钝化可以减小g a nh e m t 的电流崩塌现象被发现后。持虚栅模型的研究者与 持应力模型的研究者都利用各自的理论解释了钝化的作用。持虚栅模型机理的研 究者认为：2 d e g 的产生与g a _ nh e m t 中的极化、表面态有很强的相关性，表面 钝化可以有效地增加2 d e g 浓度，而且钝化剂使器件表面施主态远离栅极泄漏电 子，阻止电子被俘获；此外，钝化过程中s i 进入a l g a n 势垒层成为浅施主，补偿 了表面施主态f 2 2 j 。总之，因为他们认为电流崩塌的原因是形成虚栅，所以钝化能 够减小电流崩塌效应是因为钝化阻止了虚栅的形成。持应力模型的t a r a k j i 等人则 认为：钝化阻止了a l g a n 势垒层应力的变化，阻止了栅源、栅漏之间串联电阻的 改变2 6 j 1 2 7 】l2 8 1 ，从而减小了电流崩塌。 除了使用s i 3 n 4 外，许多研究小组也尝试过使用其它钝化剂来抑制g a ：n 器件的 电流崩塌。例如s c 2 0 3 、s i 0 2 、s i o 、m g o 、a 1 2 0 3 等。 佛罗里达州立大学的一个研究小组比较了s i 3 n 4 、m 9 0 、s c 2 0 3 三种介质的钝化 效果，得出m9 0 和s c 2 0 3 在控制r f 电流崩塌方面优于s i 3 n 4 ，可以大大提高器件 的稳定性和可重复性。t h a n 等人比较了s i 3 n 4 、s i 0 2 、s i o 三种钝化剂，发现前两 者可以将最大输出电流提高2 5 ，s i o 可以提高1 5 ，在控制r f 电流崩塌效应上 都很有潜力。迄今，已实验研究了很多应用在g a n 基h e mt 上的钝化介质，它们 对器件性能的影响不尽相同，有些钝化介质在潜力上要优于s i 3 n 4 ，但是，由于 s i 3 n 4 的技术开始最早，研究最成熟，所以现在大部分研究者还是倾向于采用 第章绪论 9 s 1 3 n 4 0 尽管s i 3 n 4 等介质钝化可以大大提高a l g a n g a nh e m t 的输出功率，减小r f 信号下电流的崩塌效应，但器件钝化工艺比较复杂，重复性较低，而且有研究表明， 钝化并不能完全消除电流崩塌效应；在实验过程中还发现，钝化对器件其它参数 的影响很大，结果不一，比如可以使器件栅极漏电流增大【3 3 】或减小【2 3 j ，对器件截止 频率的影响也有结果完全相反的报道【2 2 】：另外，钝化也增加了器件的散热问题。 所以，必须进一步探讨器件钝化的机理和其对器件性能的影响，提高钝化质量， 优化器件制作工艺。 上述钝化方法是在器件电极完成以后进行的钝化，这虽然可以减小i 强电流崩 塌效应，但对器件的栅极电流泄露问题却没有多少贡献，最近有不少研究者结合 钝化作用，并进一步改进器件结构设计和制作工艺，取得了很多突破性的进展。首 先是栅极的m o s 或m i s 结构钝化介质同时作为栅极接触介质，综合了钝化 和m o s 、mi s 结构的优点，不仅可以减小电流崩塌效应，而且可以提高器件的击 穿电压解决栅极电流泄露的问题。其次是m o s 和m i s 结构的a l g a n i n g a n g a n 双异质结h e m t ，通过i n g d n 外延层提供电子沟道，控制异质结的应力变化，实 验得到了无电流崩塌的f e t 。还有一种结合器件钝化的外悬式栅结构，通过栅极 结构设计的优化，减小器件高场时的陷阱效应和膝电压，并大大提高击穿电压， 提高al g a n g a nh e m t 的输出功率，减小i 疆电流崩塌效应。以上这些设计综合 多种提高h e m t 输出特性的方法，大大减小甚至完全消除了r f 电流崩塌效应，但 具体的机理仍需要进一步探讨，比较复杂的材料生长和器件制作工艺也需要进一 步改进。 受西班牙j i m e n e z 等人对a l g a n g a nj f e t 研究结果的启发【3 4 l ，美国u c s b 大 学的c o 衔e 等人2 0 0 2 年报导道一种利用材料结构设计及器件工艺减小r f 电流崩 塌效应的方法一生长p 型盖帽层。器件结构如图1 7 所示，在n 型掺杂的a l g a n 势垒层上再生长一层大约5 0m 厚的p 型g a n 盖帽层，可以大大减少r f 信 号下器件的电流崩塌效应，提高器件的输出功率和功率附加效应。对于这个结果 的解释，他们认为，p 型g a n 盖帽层可以利用离化的受主杂质形成负空间电荷层， 屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响，而且由于盖帽层比较厚( 一般有5 0 n h l ) ，可 以使沟道电子远离器件表面，由此进一步减小了器件表面态对沟道电流的影响1 3 4 】。 堡a 1 g a n g “h 翻t 器件直流扫描电流崩塌杌理及其物理模型 隧 g _ m g g a n 5 0 嘲m g a 4 n 麓毖惩蠢搽一 2 d l l ms l 糠1 村g 精n a r a 小潮b g a n a l 。g 。nl o 嘲u l da k 鹄，n o s n m a l n s l 嚣矗n 3 l i ms 工g a n s n p p h i 糟辔s 妇拇 s 6 p p h i 豫蚴蟾聃l e 图1 7p 型帽层结构 最近，这个小组的s h e n 等人又报道了非故意掺杂( u i d ) g a n 盖帽层减小电流崩 塌效应的方法p 。他们的器件在n 型掺杂的a l g a n 势垒层上再生长一层2 5 0 n m 的 g a n 盖帽层，结果完全消除了r f 电流崩塌效应，1 0 g h z 时得到器件的输出功率密 度为1 2 w m m ，功率附加效率4 0 5 。另外，一些研究者发现吲，势垒层n 型掺杂 结构也可以减小r f 电流崩塌效应，大大提高其输出特性。因为势垒层n 型掺杂， 增加沟道电子浓度，或者减少了势垒层表面态密度，因此抑制了g a n 基h e m t 的 i 强电流崩塌效应。这种说法虽然可以解释电流增加的原因，但通过比较发现，对 势垒层进行n 型掺杂的器件，最后都生长了一薄层未掺杂的g a n 或a l g a n 盖帽层， 这实际上部分地利用了盖帽层的作用。还有很多研究小组将钝化和盖帽层结合起 来，比如在n 型掺杂的势垒层之上先生长一层几纳米厚的非故意掺杂的al g a n 或 g a n ，然后制作电极，器件钝化i ”。虽然生长盖帽层方法在抑制电流崩塌效应上 很有潜力，而且材料生长过程相对简单，较易控制，但在工艺上却增加了难度，特 别是生长p 型盖帽层时的栅极制作过程比较复杂：而且，生长盖帽层减小电流崩 塌效应的机理并不十分清楚，所以这种方法的重复性和有效性需要进一步验证， 制作工艺需要进一步改进。 1 3 本文的结构和安排 本论文是在国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ( 批准号：2 0 0 2 c b 3 1 1 9 ) ， 国防科技重点实验室基金项目( 批准号：5 1 4 3 3 0 4 0 1 0 5 d z o l 0 2 ) ，国防9 7 3 计划项 目( 批准号：5 1 3 2 7 0 4 0 7 ) ，国防科技重点实验室基金项目( 批准号： 5 1 4 3 2 0 3 0 2 0 4 d z 0 1 叭) 等项目支持下，对a l ga _ n g a n h e m t 器件在直流扫描下的 d 莓磊。一 ，otii 基矗卜o最l i q 。 s 第一章绪论 电流崩塌现象进行了较为深入的研究。文章以实验与理论相结合，分析了 a l g a n g a nh e m t 器件的直流扫描电流崩塌问题。基于对电流崩塌机理的分析， 建立了一个a l g a n g a nh e m t 器件直流扫描电流崩塌模型，模型与实验结果具有 很好的一致性。论文的章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了国内外对g a n 器件电流崩塌现象的研究成果与现状。 主要介绍了电流崩塌现象的定义、几种电流崩塌现象与两种主要的电流崩塌模型 ( 应力模型与虚栅模型) 。 第二章介绍了直流扫描电流崩塌现象。首先从实验角度出发，介绍了本文测量 的h e m t 器件的材料生长与工艺。其次从实验结果得出直流扫描电流崩塌的定义， 并且对直流扫描电流崩塌进行简单的分析。 第三章介绍了个直流扫描电流崩塌的模型。从第二章对直流扫描电流崩塌现 象的分析出发，结合基本的半导体知识，建立一个可以合理的简单的直流扫描崩 塌模型。给出了实验曲线与模拟曲线的比较，并从中得出直流扫描电流崩塌的一 些结论。 第四章给出了本文的结论。 文中所引用的参考文献在文章的最后给出。 旦 a 1 g a n g a nh e 酊器f j ：直流扫描电流崩塌杌理及其物理模型 第二章器件制造与直流扫描电流崩塌 本章首先介绍了本文实验用的g a nh e m t 器件的材料生长与工艺过程。然后 给出在直流工作情况下出现的直流扫描电流崩塌的定义。最后，主要阐述了对直 流扫描电流崩塌现象的实验测量与分析，并从中得出一些对电流崩塌机理的合理 结论。 2 1 器件材料与制造 2 1 1a l g a n g a nh e m t 材料生长 本文实验中采用的a l g a n g a n 异质结材料层结构如图2 i 所示。材料样片是 通过低压m o c v d ( 金属有机物化学气相淀积) 设备在( 0 0 0 1 ) 面抛光蓝宝石衬 底上异质外延生长的a l g a n g a n 异质结构材料制造而成。 2 0 i l ms i - d o p e da i g a ns u p p l yi a y e r ：一a 1 g a ns 茹a 西；l 西e 。”警习 l “m g a n b u i i - e r l a v e o 5 0 n mg a nn u c l e a t i o ni a v e r ” 、 、 二“5 j 。 。“j 。，7s a p p h i r e ( o 0 0 1 ) 。一 ；| ”一。“+*，t 。 图2 1g a n h e m t 器件材料层结构 a l g a n g a n 异质结构材料层结构( 从衬底向表面) 如下：首先在( 0 0 0 1 ) 蓝 宝石衬底上外延约5 0 n mg a n 成核层，然后生长1m 未掺杂g a n 外延层，在此 基础上再生长厚度约为6 啪的u a l g a n 阻挡层，最后生长约2 0 啪硅掺杂a l g a n 层( a l 组份2 7 ) ，s i 掺杂浓度约为l 1 0 1 8 c m o 。室温下该a l g a n g a n 异质结构 材料2 d e g ( 二维电子气) 面密度和迁移率分别为1 1 x l o ”c m 。2 和9 4 9 c m 2 厂v s ，7 7 k 下2 d e g 面密度和迁移率分别为1 0 8 x 1 0 1 3 c m 之和2 5 7 7 c m w s ，室温下该材料的方 块电阻为6 0 0 例口。 下面讨论材料参数的测量。室温下蓝宝石晶体的禁带宽度为6 e v 带边吸收对应 波长为2 0 7 n n l ；g a n 晶体的禁带宽度为3 4 e v ，带边吸收对应波长为3 6 5 n m 。通常 人眼能够感觉的可见光波长范围为3 8 0 7 8 0 m n 。因此，我们看到的蓝宝石和g a n 第二章器f i ：制造与直流扫描电流崩塌 都是无色透明晶体。蓝宝石( s a p p ) 衬底上异质外延g a n 晶体材料即g a n s 印p 结 构也是无色透明的。但是对于波长小于3 6 5 岫的光，g a n 却是完全不透明的。因 此我们可以利用波长范围包含3 6 5 姗的分光光度计测量得到蓝宝石衬底异质外延 g a n 薄膜的透射谱曲。图2 2 为蓝宝石衬底a l g a n g a n 异质结的透射谱曲线。由 于a l g a n 层的厚度很小，只有2 4 n m 左右，相比于g a n 外延层l u m 的厚度可以 忽略不计，因此a l g a n ，g a n 异质结的透射谱曲线和g a n 外延层的透射谱曲线并 没有明显的区别。由干涉条纹得到的薄膜厚度也基本等于g a n 外延层的厚度。由 该透射谱就可以估算g a n 层的厚度。 图2 2 蓝宝石衬底a l g 荆g i n 异质结结构的透射谱 图2 3 ( a ) 和图2 3 ( b ) 分别给出的h a l l 测量结果和由c v 测量计算得到的载流 子浓度深度分布，这是目前我们自主研制的m o c v d 系统在( 0 0 0 1 ) 面蓝宝石衬底上 生长得到的最为经典的a i g a n ，g d n 异质结的电学特性指标。室温和7 7 k 下迁移率 分别为9 4 9 c m 2 v s 和2 5 7 7 c m 2 v s ，室温和7 7 k 下2 d e g 面密度分别为1 1 1 0 ”c m 。2 和l ，0 8 1 0 ”c m 一。图2 3 ( b ) 给出的a i g a n ，g a n 异质结载流子浓度深度分布曲线明 显地说明了2 d e g 的存在。2 d e g 中的浓度最大值为2 3 7 n r n ，那么a l g a n 层的厚 度约为2 4 n i n 。由图2 ，3 ( b ) 还可以得到g a n 外延层的背景载流子浓度为4 5 x 1 0 b c m o ( 表面下4 6 6 1 1 1 1 1 处) 。 旦 a 1 g a n g a nh e m t 器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型 图2 ，3 ( a ) 迁移率和面密度随温度的变化图2 3 ( b ) 载流子浓度的深度分布 2 1 2a i g a n g a nh e m t 器件工艺 与其它器件工艺相比较，h e m t 工艺相对比较简单。一个完整的a l g a n g a n h e m t 器件的制造通常只需以下三步工艺即可：台面隔离刻蚀、源漏欧姆接触和 肖特基栅接触。 l 、刻蚀技术 由于g a n 和a l g a n 的抗化学腐蚀能力很强，所以目前还没有开发出实用的湿 法刻蚀技术用于栅槽和台面隔离的刻蚀。因此g a n 和a 1 g a n 的刻蚀常用干法刻蚀 p 。常用的干法刻蚀方法有c l 基反应离子刻蚀( r i e ) 、c l 基感应耦合等离子体刻 蚀( i c p ) 、电子回旋共振等离子体刻蚀( e c r ) 等。 各种刻蚀方法各有利弊。本文研究的样片采用c l 基反应离子刻蚀( r i e ) 。 2 、肖特基接触 a i g a n g a nh e m t 器件的栅极为肖特基接触，其质量是器件特性的决定性因 素之一：栅漏电是低频噪声的主要来源1 4 。1 ，栅反向击穿电压决定着器件的工作电 压和功率容限1 4 1j 【4 2 1 。为了降低肖特基栅的漏电和提高栅反向击穿电压，需要在 a l g a n g a n 异质结构上制作高质量的肖特基接触。不同金属与g a n 形成的肖特基 势垒高度已经被研究。在g a a s 中，表面费米能级总是被高密度的表面态钉扎在禁 带中央。但是g a n 与金属形成的肖特基势垒主要还是由功函数差决定的。因此不 同金属与g a n 的接触可以形成不同的肖特基势垒高度。根据已报道的实验结果， g a n 的电子亲和能为4 2 e v 。通常a l ( 功函数为4 2 e v ) 与清洁的n g a n 表面形 成自然欧姆接触，而a u 、p t 和n i ( 功函数在5 5 5 e v ) 在n g a n 上可以形成相对 较高的肖特基势垒( o 8 1 1 e v ) 。对于a l 组份不是特别高的a l g a n 层有类似的结 论【”。 本文研究的样片在器件制造中肖特基接触金属为p 们札( 3 0 n 耐3 0 0 舳) 。 第二二章器件制造与直流扫描电流崩塌 3 、欧姆接触 欧姆接触也是a l g a n g a nh e m t 器件制造中的关键工艺。欧姆接触质量的好 坏决定着器件的许多主要参数( 如电流密度、外部增益、最高工作温度和大功率 性能等) ，要制备高性能的a l g a n ，g a nh e m t s ，形成良好的金属与a 1 g a n 的欧姆 接触是十分重要的。吲a 1 是最常用的欧姆接触结构，经过退火，t i 与a l g a n 中的 n 反应生成t i n ，同时使a l g a n 中产生了大量起施主作用的n 空位，形成n 十层， 从而使电子易于隧穿，形成欧姆接触【4 3 】。a l 能防止a 1 g a n 中g a 的外扩散所导致 的施主浓度降低，但t i 和a l 均容易被氧化而形成高阻氧化层，反而使接触电阻有 所增大。通常在t i a l 之上再覆盖一层a u 加以保护1 4 4 i 。 本文研究的样片在器件制造中欧姆接触会属为t i a l 倒a u ( 3 0 n 耐1 0 0 n r n 5 0 n 州5 0 0 枷) ，9 0 0 氮气气氛退火3 0 秒。 4 、版图结构 测试的h e m t 器件采用对称栅结构，漏源间距4m ，栅长2m ，栅宽2 0m ， 如图2 4 所示。 图2 4g a n h e m t