槽栅与氧等离子体处理的AlGaN/GaN HEMT特性及温度稳定性研究

摘要

目前AlGaN/GaN HEMT在微波功率应用方面取得了长足的发展，并且仍然具备广阔的应用潜力可以继续发掘。AlGaN/GaN异质结具有较强的极化效应，使得导电沟道在零栅压下就已经存在，在微波功率领域均是以耗尽型器件的形式应用，但对于电力电子与数字逻辑等领域，单一的耗尽型器件存在着一些不足。首先，当电路系统处于待机状态时，需要额外提供电压偏置使器件关断，增加了系统的功耗与安全隐患。另外，在现有的数字电路设计规则下，需要与增强型器件组合实现逻辑功能。为了进一步推动HEMT器件在电力电子以及数字逻辑的应用拓展，对增强型AlGaN/GaN HEMT器件的特性及可靠性进行分析具有十分重要的意义。本文基于槽栅与氧等离子体处理增强型实现方案，从槽栅深度和氧等离子体处理条件强弱出发，对器件基本特性及其温度稳定性展开研究。 本文利用实验室标准GaN器件工艺制备了不同槽栅深度与氧等离子体处理条件组合的AlGaN/GaN HEMT。其中，8nm槽深与RF源功率40W、处理时间60s的氧化条件组合器件阈值电压为+0.4V，成功实现了增强型工作模式。同时VGS=3V时的饱和电流密度近400mA/mm，最大开关比达107量级，跨导峰值为163mS/mm。通过对器件直流特性对比分析发现，氧等离子体处理能够使器件阈值电压正移1.5V以上，栅泄漏电流下降至少2个数量级，同时增加氧等离子体处理时间及功率能够进一步增加阈值电压和减小栅泄漏电流。另外，随着槽栅深度的增加，氧等离子体处理的氧化作用更加明显，但跨导峰值和电流密度的下降开始变得不可忽视。此外，利用双脉冲I-V和变频电导谱测试方法，进一步对比分析了槽栅与氧等离子体处理器件的界面态及缺陷密度。双脉冲测试结果表明，常规及槽栅器件的电流崩塌量依次为4%、8.4%、10.5%、14.6%，但通过合理的氧等离子体处理槽栅器件电流崩塌量下降至5%~6%之间，这说明了氧处理能够减少因槽栅刻蚀引入的界面陷阱密度与刻蚀损伤。增加氧等离子体处理的时间和功率，崩塌量有所上升，此时氧等离子体引入的离子损伤增加，对器件造成了负面影响。变频电导谱结果显示：与常规器件相比，槽栅结构器件的陷阱时常数较小，同时陷阱密度更高，氧等离子体处理器件的陷阱能级分布更深，同时陷阱密度降低近2个量级。 基于上述实验结果，本文继续深入研究了槽栅及氧等离子体处理器件的温度稳定性。设计了25℃-300℃温度范围的在线变温测试就器件直流及肖特基特性随温度的变化规律展开了分析与讨论。常规耗尽型器件与槽栅氧处理增强型器件的变温测试结果对比表明，在较低的温度范围内，两种器件的阈值电压保持了较好的稳定性，变化幅度小于0.1V。温度在150℃-300℃内，槽栅氧化器件的阈值电压负漂约为0.2V。亚阈特性方面，两种器件的亚阈值斜率随温度的升高都表现为增加，但槽栅氧化器件亚阈值斜率变化幅度较大。此外，两种器件饱和电流密度、跨导峰值及漏电随温度的升高幅度较为接近，约在30%~40%之间。 设计了两组温度分别为300℃、400℃的快速退火实验，实验结果表明，在300℃退火之后，槽栅与氧等离子体处理器件的跨导峰值及电流密度表现出回升，阈值电压总体表现为负漂，但幅度较小，约为0.1V-0.2V左右，具备一定的温度稳定性。在400℃退火之后，氧等离子体处理器件阈值电压均有明显幅度的负移，幅度在0.5V~1V不等。常规器件及其氧等离子体处理器件阈值电压趋近一致，槽栅结构的氧等离子体处理器件特性与未氧等离子处理器件还有一定的差异。

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