絕緣柵和肖特基柵HEMT器件結構如圖1所示， AlGaN/GaN異質結采用MOCVD技術在2英寸c面藍寶石襯底上外延得到，由下往上依次為180nm高溫AlN成核層、13μm非摻雜GaN緩沖層、1nm AlN界面插入層、22nm AlGaN勢壘層、及2nm GaN帽層，勢壘層鋁組分設定為30%。室溫Hall效應測試顯示，異質結材料溝道2DEG面密度和遷移率分別為7.2×1012cm-2和2105cm2/V·s，方阻約為410Ω/sq，整個圓片上材料方阻非均勻性在5%以內。
圖1 (a) AlGaN/ GaN肖特基柵和(b)絕緣柵HEMT器件橫截面結構及尺寸示意圖
器件工藝中首先制作Ti/Al/Ni/Au源、漏歐姆接觸，然后采用RIE刻蝕臺面實現有源區隔離，TLM測試得到歐姆接觸電阻Rc=0.33Ω·mm，方阻Rsq=455Ω/sq。器件表面鈍化層采用雙層材料，首先利用PEALD沉積5nm的AlN界面插入層( 1st layer)，然后利用PECVD沉積60nm的SiN介質( 2nd layer)加厚表面鈍化層。在柵電極制作和第三層絕緣材料(3rd layer)沉積之前，利用RIE刻蝕移除柵接觸下方的SIN/AIN材料，定義出柵長Lg=0.5μm的柵電極區域，柵-源間距Lgs和柵-漏間距Lgd分別為0.9μm和2.6μm。對于絕緣柵器件，釆用原子層沉積技術實現柵絕緣層沉積，然后完成Ni/Au/Ni柵電極接觸，采用T型柵結構；對于肖特基柵器件，則首先完成柵電極制作，然后沉積第三層絕緣材料。為了改善柵絕緣層和電極接觸性能，減少絕緣材料中的缺陷，在450℃的N2氣氛中對所有器件進行了5min的快速熱退火處理。最后，采用PECVD沉積第四層絕緣材料200nm SiN(4th layer)，并完成源場板的制作。
為了進行對比研究，共制作了三種柵結構的器件：肖特基柵HEMT器件，記為S-HEMT；采用PEALD沉積AlN柵絕緣層的絕緣柵HEMT器件，記為MIS-HEMT；采用ALD沉積Al2O3柵絕緣層的絕緣柵HEMT器件，記為MOS-HEMT。三種結構除了柵電極制作步驟和表面絕緣層材料的差異，其余器件結構和工藝參數是相同的。三種器件的表面鈍化層材料都是SIN/AIN雙層結構，第四層場板介質則是200nm的SiN；對于S-HEMT，柵電極在第三層絕緣材料沉積前制作，而對于MIS-HEMT和MOS-HEMT，柵電極則在柵絕緣層材料沉積后制作；對于MIS-HEMT器件，柵絕緣層材料為20nm的PEALD沉積AlN，而對于S-HEMT和MOS-HEMT，第三層絕緣材料或柵絕緣層材料是20nm的ALD沉積Al2O3。
有一點需要說明的是，絕緣柵器件中一般柵絕緣層厚度達到10nm即可足夠在應用中抑制棚漏電，但是本文卻設計柵絕緣層厚度為20nm。這是因為C-V測試和后面文章界面態分析中，需要使柵偏置在絕緣層/勢壘層界面積累區域，如果柵絕緣層厚度較小，在如此大柵壓偏置下電容曲線會出現如圖5.2(a)所示的電容急劇降低，而柵絕緣層厚度在20nm時則可實現良好的載流子界面積累。在大柵壓時電容下降是因為高頻下絕緣層薄膜導通能力增強，產生漏電通道，絕緣層兩端電荷量流失，這從圖5.2(b)電導隨著電壓的變化曲線中可以看出來，柵絕緣層厚度為10nm時，大柵壓下絕緣層漏電表現為在絕緣層/勢壘層積累區域電導值急劇上升，而采用20nm厚的柵絕緣層則可有效抑制此時的漏電。由于本文采用C-V和電導法進行界面態分析，大柵壓偏置時的漏電會對實驗電容、電導值產生影響，導致定量分析誤差。文獻報道中涉及界面分析和大柵壓下C-V測試時，絕緣柵HFMT器件的柵絕緣層厚度一般都設計在20mm以上，甚至有些文獻中采用厚度達40nm的柵絕緣層保證漏電抑制效果。結合文獻報道和圖2結果分析，采用柵絕緣層厚度為20nm進行界面分析。
圖2 柵絕緣層厚度對MIS異質結構(a)C-V和(b)G-V曲線的影響
2. 柵絕緣層沉積
界面處理和柵絕緣層沉積是絕緣柵HEMT器件的關鍵工藝，本文利用優化工藝實現了高界面質量和高性能的柵絕緣層沉積。表面鈍化層和柵絕緣層沉積之前，需要對AlGaN/GaN表面進行處理，依次采用非原位的化學清洗和原位的低損傷等離子體表面預處理工藝?；瘜W清洗過程中，利用丙酮、乙醇清洗表面有機雜質，然后利用KOH溶液處理表面無機雜質；原位預處理則采用NH3/N2混合氣氛等離子體技術，RF功率設定為200W，處理時間為5min。
MOS-HEMT器件中的Al2O3柵絕緣層利用熱型ALD技術制備，前驅體源采用TMA和H2O，沉積溫度為300C。器件表面AlN鈍化層和MIS-HEMT中的AlN柵絕緣層利用PEALD技術制備，前驅體源采用TMA和NH3，RF功率設定為150W，沉積溫度為300℃。圖3給出了異質結襯底上沉積的20nm AlN薄膜的XPS分析結果，薄膜表面受空氣氧化和碳吸附影響，體內氧雜質含量約為13%，碳雜質含量極低，Al/N原子比約為1.4。絕緣層/勢壘層界面處Ga3d高分辨率掃描擬合結果對應于Ga-N建核心峰，說明介質沉積前的表面等離子體處理減少了界面氧含量，有效移除了低質量的界面氧化層。
圖3 (a)AlN/AlGaN/GaN薄膜的XPS組分隨深度的變化及(b)界面處Ga3d高分辨XPS分析