1. 器件結構與工藝
本文制作了兩種結構的器件，即常規肖特基柵HEMT和MIS-HEMT，如圖1所示。采用藍寶石襯底上的AlGaN/GaN異質結材料，MOCVD外延層由下往上包括180nm高溫AlN成核層、13-μm非故意摻雜的GaN緩沖層、1nm-AlN插入層、22nm-Al0.3Ga0.7N勢壘層、2nm-GaN帽層。室溫Hall測試得出2DEG面密度為8×1012cm-2，載流子遷移率約1600cm2V·s。通過電子束蒸發和N2氣氛中830℃快速熱退火30s制作的Ti/Al/Ni/Au歐姆接觸電阻為0.33Ω·mm，TLM測試得到的溝道方阻為455Ω/sq。器件有源區隔離采用Cl2RIE刻蝕臺面實現，然后采用PEALD沉積15nm-AIN柵絕緣層，并完成Ni/Au/Ni柵金屬工藝。本文研究的所有器件柵長和柵寬分別為1.2μm和50μm，柵-源和柵-漏距離分別為0.7μm和2.1μm。由于AlN表面鈍化層比較薄，且容易受到表面氧化、水汽吸附、碳雜質吸附等影響，最后采用PECVD在器件表面沉積了200nm的SiN保護層。
圖1 AlGaN/GaN(a)HEMT和(b)MIS-HEMT器件橫截面示意圖
圖2 MIS-HEMT遠程等離子體曝光界面處理示意圖
柵絕緣層沉積之前，對樣品進行了表面預處理，依次為丙酮溶液超聲清洗、乙醇溶液超聲淸洗、KOH溶液清洗30s、低損傷等離子體表面預處理5min(如圖2所示)。在等離子體處理中，采用了兩種不同氣氛進行了對比研究，分別為20sccm-NH3/110sccm-N2混合氣氛等離子體和20sccm-O2/110sccm-N2混合氣氛等離子體。與NH3和O2相比，N2的活性較低，只作為輔助起輝和保持腔體壓力的惰性氣體，可以不考慮N2與樣品表面的反應。表面等離子休處理在PEALD設備中實現，遠程等離子體可以避免對樣品表面的損傷，射頻功率設置為200W。2. 器件直流特性分析
利用Keithley 4200半導體表征分析系統對器件的直流特性進行了分析，包括關態漏電、轉移、輸出等特性。圖3給出了環形二極管結構的柵漏電曲線，與肖特基柵結構相比，PEALD沉積的AIN柵絕緣層使MIS柵結構的器件正反向柵漏電均降低了約兩個數量級，證明了絕緣層材料質量良好。兩種MIS柵器件相比，采用O2/N2氣氛等離子體表面預處理的器件漏電水平更低，這可能是因為等離子體輔助表面氧化過程形成了界面氧化層，等效為柵絕緣層總厚度增加而使柵漏電減小。
圖3 肖特基柵和MIS柵器件的柵漏電特性
圖4給出了肖特基柵HEMT和MIS-HEMT器件的轉移與跨導特性，漏極電壓偏置在10V，柵電壓從-6V掃描到2V。與常規肖特基柵HEMT相比，MIS-HEMT器件使柵壓為2V時的輸出電流從500mA/mm提高到約700mA/mm，增幅高達40%?？紤]到同一偏置下三種器件溝道載流子積累程度差異，對比得出Vg=Vth+3.5V偏置下肖特基柵HEMT、氮化處理MIS-HEMT、氧化處理MIS-HEMT器件的輸出電流分別為488mA/mm、552mA/mm、534mA/mm。場效應晶體管的漏極電流可以表示為，
Id(Vg)=qns(Vg)vs(Vg) (1)
其中ns和vs表示溝道載流子面密度和漂移速度，(Vg)表示柵壓偏置。AlN柵絕緣層導致的輸岀電流密度增大，說叨柵下區域溝道載流子輸運特性受到了顯著影響。
圖4 肖特基柵和MIS柵HEMT器件的(a)轉移和(b跨導特性
絕緣柵HEMT器件與肖特基柵HEMT器件相比，柵絕緣層的引入增加了柵到溝道的距離，使柵電容減小即柵控能力減弱，通常在不考慮溝道輸運特性改變的情況下絕緣柵器件的跨導峰值會有所降低。然而本研究采用AlN柵絕緣層卻得到了截然相反的結果，NH3/N2和O2/N2等離子體表面預處理的MIS-HEMT跨導值由肖特基柵器件的175mS/mm分別增大到192mS/mm和181mS/mm，說明AlN絕緣層改善了異質結溝道載流子輸運特性，與輸出電流分析結論相一致。測試直接得到的器件非本征跨導gext,peak與本征跨導值gint,peak和器件源電阻Rs有關，表示為
(2)GaN基HEMT器件的本征跨導峰值可以表示為電子飽和漂移速度和柵電容Cg的乘積，表達式為，
Gint,peak=vsatCg (3)
其中vsat是溝道電子飽和漂移速度，柵電容取柵壓為0時的值。把本征跨導值和柵電容代入式(4-7)即可求出，AlN柵絕緣層使得溝道載流子飽和漂移速度從1.14×107cm/s提高到2×107cm/s以上，所以在柵電容減小的情況下MIS-HEMT的跨導值與肖特基柵HEMT相比仍然有所增大，保證了器件泄漏電流減小的同時不會使柵控能力和高頻增益特性退化。與肖特基柵HEMT器件類似，兩種MIS-HEMT器件都表現出了極好的閾值電壓穩定性，回滯電壓小于0.05V，這是因為AlN絕緣層技術和等離子體表面預處理有效改善了柵絕緣層與氮化物半導體之間的界面質量。但是，與NH3/N2等離子體處理MIS-HEMT相比，O2/N2等離子體處理導致器件閾值電壓負漂更嚴重，這說明NH3/N2等離子體界面預處理是一種更優化的工藝條件。圖5給出了NH3/N2等離子體處理MIS-HEMT器件的轉移和輸出曲線，優秀的界面特性使得連續掃描5次得到的轉移曲線保持了理想的一致性。器件輸出曲線中，正向柵偏置達到4V時仍然沒有發現明顯的漏電現象，證明 PEALD沉積的AlN絕緣層質量良好。
圖5 NH3/N2表面等離子體處理MIS-HEMT器件的(a)轉移和(b)輸出曲線
3. C-V特性分析
圖6 C-V測試用環形二極管顯微圖片
利用圖6所示的環形二極管研究了三種結構的C-V特性，與直流測試所用環形二極管不同，C-V測試中二極管沒有歐姆接觸外圍的SiN介質區域，這是因為在交流測試中SiN介質層的寄生效應會影響測試結果。1MHz頻率下測得的三種結構C-V曲線如圖7(a)所示，柵絕緣層的引入使積累區電容值從約375nF/cm2降低到250nF/cm2以下，閾值電壓負向漂移1-2V。兩種MIS柵結構相比，O2/N2界面預處理器件的積累區電容值更低，且Vth負漂量比NH3/N2界面預處理器件大了1V多。O2/N2界面預處理器件的積累區電容偏低是因為等離子體輔助氧化形成了界面氧化插入層，導致器件總電容減??；而Vth負向漂移則是因為存在界面電荷，即在界面處理方面NH3/N2等離子體預處理工藝比O2/N2等離子體預處理更有效。以NH3/N2等離子體預處理器件界面電荷為參照，O2/N2等離子體界面預處理MIS柵結構的界面電荷面密度為，
(4)
圖7 肖特基柵和MIS柵環形二極管的(a)C-V特性及(b)載流子濃度隨深度的變化曲線
利用式(5)和式(6)，可以由C-V曲線微分得到肖特基柵和MIS柵異質結構中載流子濃度隨深度的變化關系，如圖7b所示，設定柵金屬與絕緣層(或勢壘層)界面為深度初始值。
其中，Depth為深度，Ncv為相應深度處的載流子濃度，εr為勢壘層和絕緣層的相對介電常數，ε0為真空介電常數。隨著柵電壓從關斷區域開始向正向掃描，異質結界面類三角形勢阱逐漸形成，來源于極化效應的電子逐漸在異質結界面積累并形成一個濃度峰值：當柵壓到達積累區并繼續增加，耗盡層寬度(柵電極到載流子區的距離)逐漸變窄，溝道中熱載流子溢出異質結界面勢阱并向AlGaN勢壘層中傾瀉，載流子區的深度和濃度減小。肖特基柵結構的2DEG濃度峰值出現在約20nm處，與材料設計中勢壘層厚度有一定差距，可能來源于材料生長過程中厚度誤差，也有可能是器件工藝中表面清洗、高溫退火等過程有厚度損失。NH3/N2界面預處理MIS柵結構與肖特基柵結構之間2DEG峰位距離16nm，對應于柵絕緣層AlN的厚度，非常接近于設計值15nm，這也證明了ALD技術在膜厚精確控制方面要優于MOCVD技術。兩種MIS柵結構對比發現，O2/N2界面預處理使2DEG濃度峰值深度增加3nm，這說明等離子體輔助氧化產生了約3nm的界面氧化層，界面氧化層的存在導致了O2/N2界面預處理器件的積累區電容值偏小。
圖8給出了兩種MIS柵結構的變頻C-V曲線，測試頻率從10KHz變化到1MHz，兩種結構的閾值電壓都沒有表現出明顯的頻散，說明異質結界面、勢壘層材料、絕緣層/氮化物界面、以及絕緣層材料中電子陷阱很少。在NH3/N2等離子體界面預處理的MIS結構中，柵偏壓為-4V時觀察到電容有繼續下降的趨勢，這是由GaN溝道層的耗盡作用引起的。當柵壓從關態向正向掃描并完成2DEG的積累后，隨著柵壓繼續增大，耗盡層邊界逐漸從異質結界面向表面移動，耗盡層寬度減小，當柵壓達到1V以上時，耗盡層邊界到達絕緣層/氮化物界面，柵絕緣層形成的勢壘使載流子在界面積累形成第二個電容上升區域，曲線上升處電壓記為Von。隨著測試頻率增大，柵絕緣層與勢壘層之間的界面態俘獲電子會導致載流子的第二次積累發生延遲，即Von正向漂移。變頻測試中界面態使Von正向漂移了~0.5V，但是其時常數和面密度水平并沒有引起明顯的閾值電壓不穩定現象。柵壓偏置過大時，熱電子穿越柵絕緣層勢壘形成漏電而導致電容值急劇下降，而且高頻信號下這種現象更嚴重。
圖8 (a)NH3/N2和(b)O2/N2表面處理MIS柵結構的變頻C-V曲線
對于O2/N2等離子體界面預處理的MIS結構，柵壓為1V左右時沒有出現第二次電容積累，而是在柵壓為0.36V時電容急劇下降變為負值，然后在1.5V時再次上升。最終形成第二次電容積緊。0.36V附近的電容下降及電容負值并不是由于絕緣層漏電，而是因為O2/N2等離子體界面預處理MIS結構的界面存在大量固定電荷，當耗盡層邊界到達絕緣層/氮化物界面時，界面固定電荷與電子相互補償，而且這種補償效應超過了載流子的界面積累效應，導致電容值下降。電壓掃描至1.5V附近吋，固定電荷的補償效應小于界面電子積累效應，界面載流子濃度升高，使電容值再次上升，直到電容值達到積累區電容值水平，界面電荷補償效應飽和。由于界面氧化層使柵漏電減小，在柵壓為3V仍然沒有觀察到漏電導致的電容下降現象。另外，界面電荷的存在對C-V測試有較大干擾，使低頻測試中電容曲線出現振蕩。