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抑制AlGaN/GaN HEMT中的电流崩塌方法

  电流崩塌效应严重影响器件的性能,研究者们都在不断努力减小甚至消除电流崩塌现象。目前能够有效减小电流崩塌的方法有:器件表面钝化法和加帽层法。其中,器件表面钝化的方法最常用。
 电流崩塌示意图
电流崩塌示意图

 
  2000年UCSB大学的Green等人在试验中发现,利用钝化的方法可以有效地减小AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌。他们在已完成的电极的器件表面,用PECVD的方法淀积一层厚为350nm的Si3N4薄膜。实验结果发现,经过Si3N4钝化的AlGaN/GaN HEMT的输出功率密度提高了一倍,他们得到了输出功率密度40W/mm、功率附加效率为41%的AlGaN/GaN HEMT。这一结果代表了当时的最高水平。其后,多个研究小组也先后证实了可以有效地抑制电流崩塌。
 
  钝化可以减小AlGaN/GaN HEMT电流崩塌现象被发现后,持应力模型和持虚栅模型的研究者都提出了他们自己的关于钝化抑制电流崩塌的解释。持应力模型的Tarakji等人认为:钝化阻止了AlGaN/GaN HEMT中的AlGaN势垒层应力的变化,阻止了栅源。栅漏之间串联电阻的变化,从而起到减小电流崩塌的作用。而持虚栅模型理论的研究者认为:2DEG的产生与AlGaN/GaN HEMT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2DEG浓度,而且钝化剂使器件表面施主态远离栅极泄露电子,阻止电子被俘获;此外,钝化过程中Si进入AlGaN势垒层成为浅施主,补偿了表面施主态。总之,他们认为减小电流崩塌效应的原因是由于钝化阻止了虚栅的形成。
 
  尽管Si3N4等介质钝化可以大大提高AlGaN/GaN HEMT的输出功率,减小RF信号下电流的崩塌效应,但是器件钝化工艺比较复杂,重复性较低,而且研究表明,钝化并不能完全消除电流崩塌效应;在试验过程中还发现,钝化对器件其他参数的影响很大,比如可以是器件栅极漏电流增大或减小,对器件截止频率的影响也有结果完全相反的报道;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及其对器件特性的影响,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,这虽然可以减小RF电流崩塌效应,但对于器件的栅极电流泄漏问题并没有多少贡献,最近有不少研究者结合钝化作用,进一步改进器件的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MOS或MIS结构-钝化介质同时作为栅极接触介质,综合了钝化和MOS、MIS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漏的问题。其次是MOS和MIS结构的AlGaN/InGaN/GaN双异质结HEMT,通过InGaN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FET。还有一种结合器件钝化的外悬式栅极结构,通过栅极结构的优化设计,减小器件高电场时的陷阱效应和膝点电压,并大大提高击穿电压,提高AlGaN/GaN HEMT的输出功率,减小RF电流崩塌效应。以上设计综合了很多提高HEMT输出特性的方法,大大减小甚至完全消除了RF电流崩塌效应,但具体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。
 
  2002年美国UCSB大学的Coffie等人报道了一种利用材料结构设计和器件工艺减小RF电流崩塌效应的方法-生长P型盖帽层。在n型掺杂的AlGaN势垒层上再生长一层大约50nm厚的P型GaN帽层,可以大大减小RF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。他们认为,P型GaN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,而且由于帽层比较厚,可以使沟道电子远离器件表面,进一步减小了器件表面态对沟道电流的影响。
 
  最近,这个小组的shen等人又报道了非故意掺杂(UID)GaN盖帽层减小电流崩塌效应的方法。他们在n型掺杂的AlGaN势垒层上再生长一层250nm的GaN盖帽层,结果完全消除了RF电流崩塌效应,10GHz时得到器件的输出功率密度为12W/mm,功率附加效率40.5%。另外,一些研究者发现,n型势垒层掺杂结果也可以减小RF电流崩塌效应,大大提高其输出特性。因为n型势垒层掺杂,增加了沟道电子浓度,或者减少了势垒层表面态密度,因此抑制了GaN基HEMT的RF电流崩塌效应。这种说法虽然可解释电流增加的原因,但是通过比较发现,对势垒层进行n型掺杂的器件,最后都生长了一层薄的未掺杂的GaN或AlGaN盖帽层,这实际上部分地利用了盖帽层的作用。还有一些研究小组将钝化和盖帽层结构结合起来,比如在n型掺杂的势垒层上先生长一层几纳米厚的非故意掺杂AlGaN或GaN,然后制作电极,器件钝化。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,制作工艺也需要进一步改进。

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