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AlGaN/GaN MOS-HEMTs凹槽器件的直流特性

  本文主要针对不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的直流特性作分析,研究凹槽栅结构对MOS-HEMTs器件的输出特性,转移特性,亚阈值特性与肖特基栅泄漏。测试所选的器件具有T型栅场板,栅长为0.6um,栅宽为50um,源漏间距为3.5um。经过SiN钝化和刻蚀形成不同凹槽栅深度的MOS-HEMTs器件。测试仪器为Agilent B1500精密半导体参数测试仪。输出特性测试条件为,栅压从-5到3V,漏端电压从0到10V,步长为0.1V。
 
  图1体现了不同凹槽栅深度MOS-HEMTs的输出特性,从图中可知,凹槽栅深度为0.62,2.71,3.25nm的MOS-HEMTs器件和常规MOS-HEMTs器件的最大饱和输出电流分别为:1007mA/mm,975mA/mm,956mA/mm和869mA/mm。由此可知,通过凹槽栅刻蚀后饱和输出电流有所增大,这与CV法计算所得出的界面态密度相符合,由于Cl基刻蚀减小了那层低介电常数的氧化层,减小了MOS结构的界面态密度,提高了MOS-HEMTs器件的输出特性。另外,从图1可知,栅压为-5V时,不论是凹槽栅MOS-HEMTs器件还是常规MOS-HEMTs器件都完全关断,这说明了这层MOS栅介质具有很好的界面特性。
AlGaN/GaN MOS-HEMTs凹槽器件的直流特性 
图1 (a)0.62nm深的凹槽栅MOS-HEMTs;(b)2.71nm深的凹槽栅MOS-HEMTs;
(c)3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs;(d)常规MOS-HEMTs的输出特性。
 
不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的转移特性 
图2 不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的转移特性。
 
  从图2可知,随着凹槽栅刻蚀深度的增加,阈值电压向正漂移,而跨导峰值也随着增加。这是由于两部分原因:a、通过减小栅到沟道的距离,凹槽栅刻蚀可以有效增加跨导峰值;b、凹槽栅刻蚀减小了MOS结构的界面态,减小了这些界面态对栅到沟道间的电场的屏蔽效应,提高了栅控能力。由此可知,凹槽栅结构可以提高MOS-HEMTs器件的栅控能力,并且能够减小MOS结构带来的阈值电压负漂效应。图3体现了不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的亚阈值特性,凹槽栅结构提高了MOS-HEMTs器件的亚阈值特性能够说明,MOS结构的界面态通过凹槽栅刻蚀有所减小,这与CV法测试结构相符合。
不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的亚阈值特性,插图为器件亚阈值特性的细节 
图3 不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的亚阈值特性,插图为器件亚阈值特性的细节。
 
不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的亚阈值特性,插图为器件亚阈值特性的细节 
图4 不同凹槽栅深度MOS-HEMTs器件的肖特基反向漏电特性对比。
 
  图4比较了不同槽栅深度MOS-HEMTs的肖特基反向漏电特性,刻蚀凹槽栅后,其反向漏电有所增加,但是相对于HEMT结构而言,不论是常规结构的MOS-HEMT还是槽栅结构的MOS-HEMTs器件都能有效的减少其反向肖特基的漏电。在栅压偏置在-20V时,常规MOS-HEMTs器件的反向漏电达到1.5×10-9A/mm,比常规HEMTs器件小将近三个量级。当凹槽栅分别刻蚀15s,17s,19s后,得到0.62nm,2.71nm和3.25nm深度的凹槽,随着凹槽深度的增加,其反向漏电依次增加到1.9×10-9A/mm,4.0×10-9A/mm和5.5×10-9A/mm。这是由于在凹槽栅刻蚀过程中,由于等离子体轰击AlGaN势垒层表面时会产生N空位[58],这些N空位被认为是刻蚀过的AlGaN表面的n型掺杂,会降低肖特基势垒高度,提高陷阱辅助隧穿的几率(如图5所示)。另外,凹槽栅刻蚀会增加AlGaN表面的粗糙度,产生很多尖峰,这会使得在尖峰处的电场很高,这会增加栅电子隧穿到势垒层的几率。
由于陷阱辅助隧穿导致栅泄漏增加的能带图 
图5 (a)由于陷阱辅助隧穿导致栅泄漏增加的能带图;(b)刻蚀过的AlGaN表面产生的缺陷与AlGaN势垒层间形成的漏电通道。

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