1. C-V曲線及載流子濃度分布
圖1給出了肖特基柵、MIS柵、MOS柵異質結構的C-V測試結果，測試頻率設定在100KHz，測試中采用電容和電導并聯的測試模型。C-V曲線存在兩個上升階段，第一個上升區域對應異質結界面2DEG的積累，對于絕緣柵器件，第一個積累區的電容可以用平板電容近似為勢壘層電容和柵絕緣層電容的串聯；而第二個上升區域對應載流子在柵絕緣層與勢壘層界面的積累，有效積累后電容值應對應于柵絕緣層電容。柵絕緣層的引入使得積累區電容值大幅降低，根據平板電容近似和絕緣層設計厚度值可以推導出PEALD沉積AlN和ALD沉積Al2O3絕緣層的介電常數分別為10和6.7。電壓偏置大于1V時，泄漏電流導致肖特基柵結構的C-V曲線急劇下降，這可以從電導曲線中的電導迅速上升看出；采用絕緣柵結構后，電容曲線則沒有發生下降，電導曲線在絕緣層勢壘層積累區域出現第二個峰值。與直流特性相同，Al2O3柵絕緣層導致了較大的曲線負負向平移，而MIS柵結構的曲線平移量很小。
圖1 100KHz測試頻率下肖特基柵和絕緣柵異質結構的(a)C-V和(b)G-V曲線
圖2 肖特基柵和絕緣柵異質結的載流子濃度隨深度的變化關系
為了提取有源區和絕緣層材料的實際厚度以及材料層中的電子濃度，研究了器件載流子濃度隨深度變化的分布曲線，耗盡層寬度(即載流子深度)和載流子濃度分別利用式(49)和(4-10)推導得到，最終得到的三種結構的載流子分布曲線如圖2所示。異質結界面2DEG濃度在1020cm-3-1021cm-3量級，非故意摻雜的AlGaN勢壘層和GaN緩沖層的背景載流子濃度分別在1018cm-3和1016cm-3量級。對于絕緣柵、MIS柵、MOS柵異質結構，2DEG濃度峰分別出現在20.8nm、39.5nm、41.9nm，說明AIN柵絕緣層和Al2O3柵絕緣層的實際厚度分別為18.7nm和21.1nm，非常接近于設計值20nm。另外可以注意到，AlN柵絕緣層導致2DEG峰值濃度降低，而Al2O3柵絕緣層使2DEG峰值濃度提高。2. C-V回滯特性
閾值電壓不穩定是一直制約氮化物絕緣柵HEMT器件性能提升和實際應用的關鍵問題，閾值電壓不穩定主要表現為I-V或C-V掃描過程的曲線回滯和頻散。本文研究了MIS柵和MOS柵異質結構的C-V曲線回滯特性，在100KHz和1MHz兩個測試頻率下展開研究。圖3給出了AIN/AIGaN/GaN MIS異質結構的C-V回滯曲線，測試電壓從-6V掃描至絕緣層勢壘層積累區域，然后再回掃至-6V，步長為0.1V。正反向掃描的MIS異質結構C-V曲線閾值電壓漂移均非常小，100KHz和1MHz下閾值電壓回滯分別為45mV和30mV，根據式(4-8)估算的AlN柵絕緣層與Ⅲ-N勢壘層界面態密度在1011cm-2量級，與2DEG面密度相比完全可以忽略，所以可以認為采用KOH溶液清洗、原位低損傷等離子體處理、以及PEALD沉積AlN柵絕緣層已經解決了絕緣柵HEMT器件的界面態問題。
圖3 (a)100KHz和(b)1MHz測試頻率下AlN/AlGaN/GaN MIS異質結構的C-V回滯曲線
圖4 (a)100KHz和(b)1MHz測試頻率下Al2O3/AlGaN/GaN MOS異質結構的C-V回滯曲線
同時對比研究了MOS柵異質結構的C-V回滯曲線，如圖4所示，測試中偏置電壓從-8.5V開始向正向掃描，達到正向積累后再回掃至-8.5V。與MIS柵異質結構不同，MOS柵異質結構的C-V曲線回滯表現出較大的測試頻率相關性，100KHz頻率下閾值電壓回滯約0.17V，而1MHz頻率下曲線回滯則高達0.89V，估算得到Al2O3柵絕緣層與Ⅲ-N勢壘層界面態密度在1011cm-2-1012cm-2量級。
圖5 考慮界面態的絕緣柵異質結能帶結構示意圖:(a)負壓穩態偏置下的界面態被電子占據情況:(b)電壓增大時界面態充電過程:(c)電壓減小時界面態放電過程
絕緣柵異質結構的界面態對閾值電壓的影響可結合如圖5所示的能帶示意圖來解釋。器件處于圖5(a)所示穩態偏置時，費米能級以下的界面態全部被電子填充，而費米能級以上的界面態沒有被電子填充:當柵偏置電壓增大時，界面態能級相對費米能級降低，低于費米能級的界面陷阱迅速被電子填充，即界面態充電過程，如圖5(b)所示；當柵偏置電壓減小時，界面態能級相對費米能級提升，充電過程被界面態俘獲的電子發射進入導帶，即放電過程，如圖5(c)所示。但是寬禁帶氮化物材料中電子從界面態發射所需的時間隨著能級變深可以從幾十μs量級增大到小時甚至幾天或一個月以上的更長時間，也即偏置電壓和能帶結構隨著電壓偏置恢復至圖5(a)所示原始狀態時，被深能級界面態俘獲的電子來不及發射進入導帶，導致溝道載流子耗盡和電流/電容值降低，表現為回掃時曲線發生正向平移。與發射時間常數相比，界面態俘獲時間常數很短，可以忽略界面態的填充時間，所以C-V曲線回滯電壓的大小應該取決于最大正向偏置以及回掃至取樣點(本文設為Vth)所需的時間。對比MOS異質結構在兩個頻率下的測試曲線，1MHz頻率下最大正向偏置在8V，相比于100KHz頻率下界面態被填充的程度增大，會導致回掃曲線正向平移更大；而且在電壓掃描不長不變的情況下，1MHz測試頻率下曲線掃描速度更快，即可供界面態釋放電子的時間更短，也會導致曲線漂移量更大。所以，測試頻率從100KHz提高到1MHz時曲線回滯電壓從0.17V增大到了0.89V。分析1MHz測試頻率下電導曲線發現，電壓達到7V時電導在絕緣層/勢壘層界面積累后再次出現了上升的趨勢，I-V測試表明此時器件發生了正向柵擊穿，絕緣層中缺陷密度增大，絕緣層體陷阱一般都是深能級陷阱，俘獲大量電子，而且曲線回掃過程電子無法從深能級陷阱逃逸，最終導致了高達0.89V的曲線漂移。
圖6 1MHz測試頻率下MOS異質結構的(a)C-V回滯曲線和(b)回滯電壓隨最大柵偏置的變化
為了證明上述分析，進一步研究了最大正偏電壓Vmax對MOS異質結構C-V回滯曲線的影響，如圖6所示。1MHz測試頻率下，MOS結構的C-V曲線回滯量隨Vmax增大而變大，這是因為隨著Vmax增大，更多的溝道電子被界面態俘獲，導致更大的電壓漂移；然而對于100KHz測試頻率下的C-V回滯曲線，以及MIS異質結構情況，曲線回滯量與Vmax相關性不大，這說明Al2O3絕緣層與氮化物勢壘層界面存在較多的深能級界面態，而AlN絕緣層與勢壘層界面陷阱密度特別低。圖6(b)所示隨著Vmax從-2V增大到4V，界面態充電效應使C-V曲線漂移從0.06V增大到0.6V，然后趨于飽和，得出AlO3絕緣層與氮化物勢壘層界面深能級陷阱(1MHz C-V測試所能探測的能級范圍，僅為界面態總量的一部分)密度約為1.43×1012cm-2。當Vmax大于7V時，絕緣層發生軟擊穿，擊穿激發的體陷阱參與充放電過程，曲線漂移量進一步增大。3. 變頻C-V測試
C-V回滯曲線是研究絕緣柵器件界面特性的非常有效的方法，但是如圖5(c)所描述的，當器件從正向偏置回掃恢復至負壓偏置時，部分被填充的界面態釋放電子恢復至本征態，而另一部分深能級陷阱來不及釋放電子導致曲線正向漂移，如此利用此曲線回滯量估算的界面態密度沒有考慮到回掃過程已經放電的部分，與實際值相比產生了低估誤差。本小節利用變頻C-V測試對絕緣柵器件界面態進行了更精確的表征，測試頻率從10KHz變化至10MHz，MIS柵和MOS柵異質結構的變頻C-V測試結果分別如圖7和圖8所示。柵絕緣層沉積前的KOH溶液清洗和原位低損傷等離子體預處理使絕緣柵異質結構的閾值電壓沒有明顯的頻散現象。
圖7 AlN/AlGaN/GaN MIS異質結構的變頻C-V曲線
圖8 Al2O3/AlGaN/GaN MOS異質結構的變頻C-V曲線
為了估算絕緣柵與勢壘層界面態密度，定義了C-V曲線的正向導通電壓Von，定義為C-V曲線的第二個上升區域線性擬合與積累區電容線的交點，如圖7和圖8所示 onset-voltage。在C-V曲線中，隨著電壓增大異質結界面2DEG從三角形勢阱中溢出進入勢壘層，耗盡區寬度逐漸減小，當耗盡區邊界推進到絕緣層與勢壘層界面時，出現載流子的第二次積累。如果絕緣層與勢壘層界面存在界面態或固定電荷，會對載流子產生補償效應，延遲載流子在界面的積累，也即C-V曲線與理論值相比發生正漂；隨著測試頻率增大，更淺能級的界面態來不及響應交流信號的變化，俘獲界面載流子使Von增大，所以利用兩個測試頻率下C-V曲線的Von變化量可以推導出一定時常數范圍內的界面態密度。界面態發射時常數可以表示為1/2πf，其中f指測試頻率，當測試頻率從f1增大到f2時，可表征的界面態時常數范圍為1/2πf2<τc/1/2πf1，界面態密度為，
表1 變頻C-V測得的柵絕緣層與勢壘層界面態密度
