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GaN MIS-HFET的转移和输出特性测试与分析

  器件转移特性与输出特性测试平台使用Cascade高压探针台,测试设备使用吉时利(Keithley)4200-SCS参数分析仪。
 
  增强型AlGaN/GaN MIS-HFET器件转移特性如图1所示,图(a)为线性坐标,图(b)为半对数坐标。从图中可以看出,该器件阈值电压(VTH)为+1.5V,对该2cm×2cm实验片上25个样品进行测试,各个器件间阈值电压偏差为0.19V,这证明该工艺具有较好的一致性和稳定性;Vgs=0V时,器件漏极电流(Id)低于50nA/mm,证明栅凹槽处2-DEG被完全耗尽;Vgs=7V时,器件漏极电流达到了693mA/mm;器件最大跨导值(Gm,max)为166mS/mm;器件栅极电流(Ig)在整个栅摆幅区域均低于5nA/mm,;器件漏极电流开关比高达108,证明器件具有较佳的开关特性;在栅电压从-3V增加到7V和7V降低到-3V的往返测试中,器件阈值电压回滞为0.7V。从测试结果看,器件阈值电压回滞较为明显,需进一步优化。
增强型AlGaN/GaN MIS-HFET器件转移特性曲线 
图1 增强型AlGaN/GaN MIS-HFET器件转移特性曲线
(a)线性坐标;(b)半对数坐标
 
  作为对比,在版图上同样设计了常规耗尽型AlGaN/GaN HFET器件,在同样的测试平台和测试设备上进行转移特性测试。测试结果如图2所示,图(a)为线性坐标,图(b)为半对数坐标。从图中可以看出,耗尽型器件阈值电压为-1.8V,会增大该器件栅极驱动电路的设计难度;Vgs=-3V时,器件关断时漏极电流(Id)超过6µA/mm,证明耗尽型器件关态漏电较大;Vgs=1.5V时,器件漏极电流达到了727mA/mm;器件最大跨导值(Gm,max)为255mS/mm;最大器件栅极电流(Ig)超过6µA/mm,说明栅极漏电较严重;器件漏极电流开关比为105,说明耗尽型器件的开关特性远低于增强型器件;器件的栅摆幅只能测试到+1.5V,超过1.5V后,相对接地的源极,栅极肖特基正向开启,栅漏电会显著增大,影响器件的正常工作。
耗尽型AlGaN/GaNHFET器件转移特性曲线 
图2 耗尽型AlGaN/GaNHFET器件转移特性曲线
(a)线性坐标;(b)半对数坐标
 
  为更直观的对增强型器件和耗尽型器件进行对比,将两器件数据放于同一坐标轴下,如图3、图4所示。
线性坐标系下增强型MIS-HFET与耗尽型HFET转移特性对比 
图3 线性坐标系下增强型MIS-HFET与耗尽型HFET转移特性对比
 
  从对比图中可以看出,增强型MIS-HFET器件转移特性曲线类似耗尽型HFET器件转移特性曲线的横移且跨导下降幅度也非常有限,证明本实验所用的两步刻蚀法将势垒层刻蚀至仅剩1.5nm对沟道区无明显损伤;增强型MIS-HFET器件关态漏电比耗尽型HFET器件下降了三个量级(103),这对器件的关态功耗有着决定性意义;增强型MIS-HFET器件栅极漏电比耗尽型HFET器件下降了两个量级(102),意味着增强型MIS-HFET器件栅极可靠性更优;增强型MIS-HFET器件的栅摆幅也远大于耗尽型器件,更高的栅摆幅可以有效降低器件的导通电阻,优化器件的开态功耗。
半对数坐标系下增强型MIS-HFET与耗尽型HFET转移特性对比 
图4 半对数坐标系下增强型MIS-HFET与耗尽型HFET转移特性对比
 
  对增强型器件和耗尽型器件进行输出特性测试,结果如图5所示,图(a)为增强型MIS-HFET器件输出特性,图(b)为耗尽型器件输出特性。增强型器件输出特性测试条件为Vds=10V,Vgs=0~7V,步长为1V;耗尽型器件输出特性测试条件为Vds=10V,Vgs=-2.5~1.5V,步长为0.5V。增强型器件Vgs=7V时,器件饱和输出电流为688mA/mm,与器件转移特性中Vgs=7V时的漏极电流相当;耗尽型器件Vgs=1.5V时,器件饱和输出电流为736mA/mm,与器件转移特性中Vgs=1.5V时的漏极电流相当。计算增强型器件与耗尽型器件的导通电阻,得到增强型器件的导通电阻(Ron)为5.2·mm略大于耗尽型器件的3.7·mm。通过输出特性曲线的对比也可以看出基于本实验所制备的增强型MIS-HFET器件性能较为理想。
器件输出特性曲线与导通电阻 
图5 器件输出特性曲线与导通电阻
(a)增强型MIS-HFET;(b)耗尽型HFET
 
  通过对具有不同栅凹槽深度的器件进行对比,讨论凹槽刻蚀过程中沟道区物理损伤对器件性能的影响。改变凹槽刻蚀深度,具体为:两步刻蚀法第一步快速刻蚀20nm AlGaN势垒层,第二步慢速刻蚀,刻蚀深度为5nm,总计刻蚀深度为25nm。该凹栅槽对势垒层进行过刻蚀,过刻3.5nm。在其他工艺均不变的情况下,制备出Ni/Al2O3/GaNMOS沟道器件——GaN基增强型MOSFET,以下简称为E-MOSFET。在同样的测试平台和测试设备上对E-MOSFET进行转移特性和输出特性测试。转移特性测试结果如图6所示,图6(a)为线性坐标,图6(b)为半对数坐标;输出特性测试结果如图7所示。从图6中可以看出,E-MOSFET器件阈值电压为+5V,大于增强型MIS-HFET,较大的阈值电压意味着器件开关可靠性较好,可以防止器件误开启;Vgs=0V时,器件漏极电流(Id)低于1nA/mm,略低于增强型MIS-HFET的关态漏电,说明势垒层过刻蚀后沟道量子阱遭受物理损伤,2-DEG被彻底耗尽;Vgs=10V时,器件漏极电流为113mA/mm;器件最大跨导值(Gm,max)仅为23mS/mm,过刻蚀对沟道量子阱的损伤导致器件电流和跨导大幅下滑;器件栅极电流(Ig)在整个栅摆幅区域(-3V~10V)低于1nA/mm;器件漏极电流开关比高达109,证明器件具有较佳的开关特性;在栅电压从-3V增加到10V和10V降低到-3V的往返测试中,器件阈值电压回滞为1V,大于增强型MIS-HFET器件的0.7V。E-MOSFET器件输出特性测试条件为Vds=10V,Vgs=0~10V,步长为2V。从图7中可以看到,E-MOSFET器件Vgs=10V时,器件饱和输出电流仅为111.2mA/mm,与器件转移特性中Vgs=10V时的漏极电流相当;器件的导通电阻(Ron)高达32.5·mm远大于增强型MIS-HFET器件的5.2·mm。
 AlGaN/GaNE-MOSFET器件转移特性曲线 
图6 AlGaN/GaNE-MOSFET器件转移特性曲线
(a)线性坐标;(b)半对数坐标
 
AlGaN/GaNE-MOSFET器件输出特性曲线与导通电阻 
图7 AlGaN/GaNE-MOSFET器件输出特性曲线与导通电阻
 
  对比增强型MIS-HFET,E-MOSFET器件性能大幅下降,下面我们对出现这种现象的原因进行分析。
 
  如图8所示为增强型MIS-HFET和E-MOSFET栅凹槽刻蚀后测试结构(ungate-TLM)的凹槽底部形貌图,图(a)为凹槽刻蚀深度为20nm(MIS-HFET器件)的凹槽底部形貌图,图(b)为凹槽刻蚀深度为25nm、过刻蚀3.5nm(E-MOSFET器件)的凹槽底部形貌图,AFM扫描范围为5µm×5µm。20nm栅凹槽底部表面均方根粗糙度为0.728nm(因测试范围更大,所以表面粗糙度略大于单项实验中的数据),E-MOSFET器件凹槽底部表面均方根粗糙度为1.3nm;图(b)中可以观察凹槽表面存在大量的黑色针孔,而图(a)中针孔并不明显,这些黑色针孔为AlGaN/GaN在外延过程中形成的位错点,对比未经加工过的AlGaN/GaN晶圆表面形貌(图2-5)、图8(a)和图8(b),可以得出一个结论:随着刻蚀深度的增加,位错明显增大,即AFM扫描图中的黑色针孔越大,在类似的AlGaN/GaNE-MOSFET文献报道中也可以观察到这一现象。D.Buttari等人认为,势垒层过刻蚀后表面粗糙度增加是因为慢速刻蚀过程中位错(图中黑色针孔)周围局部被更多的刻蚀。凹槽表面粗糙度增大会显著增大沟道电阻,同时沟道中的电子散射明显增强,从而使器件性能大幅下降。
栅凹槽底部表面形貌AFM图 
图8 栅凹槽底部表面形貌AFM图
(a)20nm凹槽;(b)25nm凹槽
 
  为更进一步的探究E-MOSFET相对增强型MIS-HFET出现性能下降的原因,我们使用吉时利(Keithley)4200-SCS参数分析仪对两个器件进行C-V特性测试,并提取出两个器件的场效应迁移率(µFE)。包括耗尽型HFET器件、增强型MIS-HFET器件和E-MOSFET器件的C-V特性测试结果如图9所示。C-V特性曲线反映了沟道中电子积累的状态,C-V特性上升过程中趋于饱和的点对应器件的阈值电压。从MIS-HFET和E-MOSFET器件的C-V曲线中可以看到趋于饱和电容点的电压为正,意味着器件阈值电压为正。从图中可以看出,E-MOSFET的电容值为368nF/cm2略高于增强型MIS-HFET的357nF/cm2,这是因为E-MOSFET器件栅极到沟道的距离(约16nm)要略低于增强型MIS-HFET器件栅极到沟道的距离(约17.5nm)。
耗尽型HFET、增强型MIS-HFET和E-MOSFET的C-V特性曲线 
图9 耗尽型HFET、增强型MIS-HFET和E-MOSFET的C-V特性曲线
 
  Al2O3与异质结的界面陷阱密度Dit=CMOS·ΔVTH/e,经计算可得,增强型MIS-HFET界面陷阱密度为1.5×1012cm-2,E-MOSFET界面陷阱密度为2.3×1012cm-2,E-MOSFET界面陷阱密度更大的原因是其凹槽底部表面更加粗糙。
提取场效应迁移率所用测试结构 
图10 实验场效应迁移率测试结果上图为MIS-HFET,下图为E-MOSFET内图:提取场效应迁移率所用测试结构
 
  通过如图10中小图所示的栅长为44µm、栅宽为100µm的器件进行低场(Vds=0.1V)下转移特性测试,计算出低场下器件跨导,然后计算出器件实验场效应迁移率(µFE)。µFE=Gm·L/(W·CMOS·Vds),计算结果如图10所示。因为器件的场效应迁移率主要依赖于载流子密度和外加电压,因此我们在同一二维电子气浓度下对增强型MIS-HFET和E-MOSFET进行比较,这样可以排除不同阈值电压和库伦散射对迁移率的影响,获得更为准确的结果。增强型MIS-HFET和E-MOSFET最大场效应迁移率分别为190cm2/V·s和27cm2/V·s,E-MOSFET远远低于MIS-HFET。造成该现象的原因可能是E-MOSFET导电沟道在刻蚀过程中遭受到了直接的等离子体损伤以及导电沟道处界面态的原位散射效应影响。但是在MIS-HFET器件中,剩余的势垒层1.5nm在空间上实现了晶格损伤、界面态与导电沟道的隔离,因此器件场效应迁移率较高。
基于不同工艺的增强型器件输出电流密度与阈值电压对比图 
图11 基于不同工艺的增强型器件输出电流密度与阈值电压对比图
 
   图11为最近几年报道的基于不同工艺制备的增强型AlGaN/GaN HFET器件最大输出电流密度与阈值电压的参照对比图。可以看出,本实验所制备增强型MIS-HFET器件已达到国际领先水平。同时我们可以看到,除亚微米栅外,随着器件阈值电压的升高,器件最大漏极电流逐渐下降。

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