常斷操作AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMTs)由于其固有的故障安全操作和簡單的電路配置在實際應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注[1-4]。為了滿足實際應(yīng)用中3v及以上正閾值電壓(Vth)的要求，提出了許多方法，包括級聯(lián)結(jié)構(gòu)、凹柵結(jié)構(gòu)、氟離子處理、超薄勢壘(UTB)、p型帽層等[5-11]。其中，具有p-GaN柵極的GaN/GaN HEMTs已成功實現(xiàn)了商業(yè)化，并在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。對于p-GaN柵HEMTs，制備過程中p-GaN非門控區(qū)蝕刻對器件行為至關(guān)重要，這與Vth的穩(wěn)定性和動態(tài)特性有關(guān)[12-13]。因此，在電感耦合等離子體(ICP)干法刻蝕過程中需要精確的刻蝕。然而，過度蝕刻或過少蝕刻是不可避免的。為了解決這一問題，提出了各種自端腐蝕方法來優(yōu)化腐蝕過程。

 

　　除了制造工藝，晶體質(zhì)量是AlGaN/GaN HEMTs的另一個問題。出于生產(chǎn)和成本考慮，目前硅基板被廣泛用于生產(chǎn)氮化鎵電源器件。然而，Si襯底上應(yīng)變異質(zhì)外延生長導(dǎo)致高密度的螺紋位錯(約108-1010 cm-2)，這將導(dǎo)致高功率工作[16]的可靠性和穩(wěn)定性問題。對于GaN在Si上的外延生長，研究了多種生長方法以提高GaN外延質(zhì)量，并將其作為晶圓的通道層或漂移層。提出了一種厚緩沖層來限制螺紋位錯從晶圓底部到晶圓表面的擴展[17-19]。然而，GaN與外源襯底之間存在著大量缺陷的過渡層，這可能是導(dǎo)致在高電壓水平[20]下過早擊穿的泄漏電流路徑。近年來，大規(guī)模的GaN基板已經(jīng)商業(yè)化，并用于GaN基器件的同質(zhì)外延生長。通過氫化物氣相外延(HVPE)生長的獨立GaN體可以提供小于106 cm-2的螺紋位錯密度，這顯示出進一步提高GaN基器件性能[21]的希望。獨立GaN襯底的一個缺點是成本高，垂直GaN pnd的應(yīng)用范圍一直很窄。2英寸商業(yè)化GaN基板的成本為60-100美元/平方厘米。這個價格比4英寸SiC(約8美元/平方厘米)貴得多，比8英寸GaN-on-Si(約1美元/平方厘米)高得多[22,23]。因此，迄今為止，獨立式氮化鎵襯底的應(yīng)用主要集中在高終端市場。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展和GaN材料的大規(guī)模應(yīng)用，高成本的獨立GaN襯底在不久的將來將會降低。

 

　　本文提出了一種基于獨立GaN襯底上的p-GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)hemt的高性能常斷裝置。同時，還提出了一種具有相同外延結(jié)構(gòu)和制造工藝的Si- hemt，以進行比較。首先，GaN-HEMT獲得了良好的外延質(zhì)量。然后，采用自端技術(shù)，結(jié)合sf6基蝕刻氣體的p-GaN蝕刻過程在上層AlN層自動停止，完成了GaN和Si-HEMT的柵極制備。該技術(shù)緩解了對AlGaN勢壘的過度或過少腐蝕。GaN-HEMT具有更先進的電學性能，包括更高的電流密度、更低的次閾值擺動(SS)、更低的動態(tài)通電阻以及更好的Vth穩(wěn)定性和均勻性。GaN-HEMT生長均勻，具有較好的散熱性能和較高的擊穿電壓(BV)，這與低的位錯和缺陷有關(guān)。因此，相對于Si-HEMT, GaN-HEMT在電力應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

 

　　器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a所示。采用氫化物氣相外延法(HVPE)生長了厚度為350 μ m、取向為(0001)的2英寸半絕緣摻鐵獨立GaN基板。鎵和氮源分別為HCl/金屬鎵和氨氣，N2/H2混合物為載氣。生長速率通常在150 μ m/h左右。螺紋錯位密度小于106 cm-2由零售商提供。本實驗采用化學機械拋光(CMP)后，采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長法向關(guān)閉外延結(jié)構(gòu)。從下到上，外延結(jié)構(gòu)由GaN緩沖層、含有12 nm Al0.23Ga0.77N勢壘層和300 nm未摻雜GaN通道層的異質(zhì)結(jié)和75 nm Mg摻雜濃度為2×1019 cm-3的p型GaN層組成，以實現(xiàn)常關(guān)工作。同時，將1.5 nm和1 nm的AlN分別作為蝕刻停止層和間隔層插入p-GaN/AlGaN和AlGaN/GaN的界面。外延層生長完成后，在MOCVD室中進行原位Mg活化過程，溫度為720℃，在N2環(huán)境中持續(xù)10分鐘。霍爾測量得到孔濃度為1×1018 cm-3。利用透射電子顯微鏡(TEM)對GaN襯底外延堆的晶體質(zhì)量進行了表征。由于GaN襯底位錯密度較低，緩沖層的晶體質(zhì)量較好，如圖1b所示，這說明GaN-on-GaN比GaN-on- si能獲得更高的外延質(zhì)量(圖1c)。

圖1所示。器件的截面圖(a)和GaN (b)和Si襯底上GaN緩沖層的TEM圖像(c)。P-GaN刻蝕深度隨刻蝕時間的函數(shù)(d)和刻蝕停止食譜的TEM圖像(e)。插入件為刻蝕過程后的刻蝕深度。相應(yīng)的尺寸也有標記。

 

　　常規(guī)剝離GaN-HEMT的制備基于標準光刻和剝離技術(shù)，從電感耦合等離子體(ICP)干法刻蝕的臺面隔離開始。然后，使用Cl2/BCl3/SF6混合蝕刻氣體，通過ICP干法蝕刻去除接觸區(qū)p-GaN層。自終止過程發(fā)生，這歸因于sf6基蝕刻氣體與上面的1.5 nm AlN反應(yīng)形成的AlF3蝕刻停止層[24]。通過延長ICP刻蝕時間，研究了刻蝕停止配方的公差。如圖1c所示，在240 s時，刻蝕深度達到75 nm，說明此時p-GaN層被移除。當刻蝕時間達到300 s時，刻蝕深度仍為75 nm，如圖1d所示。圖1e中去除p-GaN步驟后器件的TEM照片也表明，這種自端技術(shù)可以有效地保護AlGaN阻擋層免受過多或較少的蝕刻誤差。

 

　　經(jīng)H2SO4:H2O2=4:1 (SPM)和稀釋的HCl溶液清洗后，采用電子束蒸發(fā)法制備了Ti/Al/Ni/Au (25/120/25/150 nm)金屬疊加歐姆電極。歐姆接觸是通過在N2環(huán)境下，在875℃退火30s獲得的。最后，采用Ni/Au (25/120 nm)柵金屬層，沉積100 nm的SiO2作為鈍化層。GaN-HEMT的器件幾何結(jié)構(gòu)由指型柵(Wg為100 μm, Lg為6 μm)、指型柵(Lgs為2 μm, Lgd為7 μm)組成。在長度為6 μm的柵極區(qū)域上，柵極金屬長度為5 μm。p-GaN的邊緣與柵金屬邊緣之間有0.5 μm的空白。為了進行比較，還提出了具有相同外延層和制作工藝的法向關(guān)閉Si-HEMT。GaN和Si-HEMT的片電阻分別為571和628 Ω/□，對應(yīng)的接觸歐姆電阻分別為8.1×10?6和9.6×10?6 Ω·cm2，轉(zhuǎn)移長度法(TLM)提取。

　　結(jié)果與討論 

　　半測井傳遞特征如圖2a所示。GaN-HEMT和Si-HEMT的閾值電壓(Vth定義為Id=1 mA/mm)分別為2和2.2 V，其次是163 mV/dec和217 mV/dec的次閾值波動(SS)。與此同時，GaN-HEMT的開/關(guān)比為1.08×107，高于Si-HEMT的1.9×106。Si-HEMT較大的Vth可能與低開/關(guān)比和高SS有關(guān)。Si-HEMT低開/關(guān)比是由于位錯導(dǎo)致的相對較高的脫態(tài)漏漏電流。即使研究了許多技術(shù)來提高Si襯底上的外延質(zhì)量，仍然存在大量的位錯，這通常是工作時泄漏電流的路徑。因此，推薦在GaN基板上均勻外延生長。

圖2所示。GaN和Si-HEMT在Vds為10v時的傳輸特性(a)、跨導(dǎo)曲線(b)、輸出特性(c)和對數(shù)坐標(d)下的柵極電流-電壓特性的半對數(shù)圖

 

　　此外，兩種器件的跨導(dǎo)曲線和最大值相似，如圖2b所示。當GaN和Si-HEMT的柵電壓(Vg)從0掃至8 V時，器件的輸出I-V特性如圖2c所示。具有良好的掐斷特性，無明顯的遲滯現(xiàn)象。GaN和Si-HEMT的最大電流密度在206和185 mA/mm左右，這決定了GaN- hemt的開態(tài)電阻值為10.1 Ω?mm，而Si-HEMT的開態(tài)電阻值為14.2 Ω?mm。通態(tài)電阻由歐姆電極的接觸電阻和通道電阻(包括接入?yún)^(qū)和柵區(qū))組成。因此，由于接觸電阻可以忽略，通道電阻貢獻了主要部分。此外，兩個器件具有相似的二維電子氣(2DEG)濃度，這是由相同的外延結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。因此，與Si-HEMT相比，GaN-HEMT的低通態(tài)電阻主要是由于均勻外延生長的優(yōu)勢使缺陷密度更小，從而產(chǎn)生了更高的電子遷移率。另一方面，兩種hemt的柵漏電流也如圖2d所示。結(jié)果表明，GaN-HEMT在正向和反向偏置區(qū)域均具有較低的柵漏電流，且相對于Si-HEMT具有較大的柵擺幅。對于Si-HEMT，柵極擊穿發(fā)生在Vg約為8 V時，而GaN-HEMT即使在10 V時也不會擊穿。

 

　　用脈沖Id-Vds測量了兩種HEMTs的動態(tài)性能，包括動態(tài)通阻和反向恢復(fù)行為。圖3a給出了不同靜漏偏置點下快速開關(guān)動態(tài)通阻與靜態(tài)通阻之比(Ron，動態(tài)/Ron，靜態(tài))。實驗條件為脈沖電壓(Vgsp, Vdsp)為(6,10)，靜止電壓(Vgsq, Vdsq)為(0,0)~(0,300)，脈沖寬度為8 μs，周期為200 μs。通常情況下，當在器件上施加高的靜止漏極電壓時，二維電子氣(2DEG)通道中的部分電子會外溢并被位于外延層的缺陷捕獲，這是由于外延生長過程中的位錯造成的。這可能會導(dǎo)致2℃濃度的降低，從而導(dǎo)致在快速開關(guān)開關(guān)設(shè)備時，高的接通電阻和低的電流密度(電流崩壞現(xiàn)象)。如圖3a所示，GaN-HEMT的Ron，動力在100v以下有緩慢的增加，比值曲線的斜率在100v到250v之間有一點上升。然而，GaN-HEMT仍然表現(xiàn)出相當?shù)偷腞on的1.6倍，靜態(tài)相對于Si-HEMT的2.8倍，在250 V的靜漏電壓下。GaN-HEMT優(yōu)良的動態(tài)通電阻主要是由于缺陷捕獲的電子較少，從而抑制了電流塌縮。這說明GaN的同質(zhì)外延結(jié)構(gòu)可以提高外延質(zhì)量，同時大幅度降低缺陷捕獲電子的大小。但GaN-HEMT的Ron，動態(tài)在300v時急劇升高，表明GaN-HEMT的有效鈍化和最佳生長條件有待進一步研究。

圖3所示。GaN和Si-HEMT在不同靜漏偏置點的動態(tài)通阻比(a)和動態(tài)恢復(fù)行為(b)。

 

　　另一方面，當脈沖電壓(Vgsp, Vdsp)為(5,10)，脈寬為8 μs時，動態(tài)恢復(fù)行為如圖3b所示。盡管GaN-HEMT具有較高的漏極電流密度，但反向電流密度較低，恢復(fù)時間較短，這是由于GaN-HEMT具有如圖3b所示的低存儲電荷。儲能效應(yīng)主要由截留載波在關(guān)斷時刻放電產(chǎn)生，并導(dǎo)致反向恢復(fù)電流。由于緩沖層和襯底作為捕獲中心的外延缺陷較少，gan - hemt具有較好的反向性能。這也是Si-HEMT反向性能較差的原因。

 

　　為了研究器件的散熱性能，采用微拉曼光譜紅外熱像儀對器件的溫度進行了測量。測量過程是先在8 V Vgs和10 V Vds下工作60 s，然后冷卻50 s。熱導(dǎo)率隨時間變化的曲線如圖4所示。當進行該裝置時，柵極區(qū)域的溫度迅速上升到一個較高的水平。隨著操作時間的延長，溫度繼續(xù)呈梯度上升。GaN和Si-HEMT的最高溫度分別為34.2和35.7℃，其中GaN- hemt的低溫度部分歸因于低通電阻。冷卻50 s后，GaN-HEMT的柵極溫度降至29.8℃。相反，Si-HEMT的積熱去除緩慢，50 s后達到34.2℃。顯然，與Si- hemt相比，GaN- hemt具有更好的散熱性能，盡管Si和GaN的導(dǎo)熱系數(shù)相近[21]。主要原因是兩種材料的界面處普遍存在較大的熱邊界阻力，導(dǎo)致熱不能立即傳導(dǎo)[25]。因此，GaN基板上的均勻生長有利于GaN電源器件的熱管理。

圖4所示。熱導(dǎo)率曲線隨時間變化，設(shè)備運行60 s，冷卻50 s。

 

　　為了研究GaN和Si-HEMT的熱穩(wěn)定性，我們測量了從室溫(25℃)到175℃的傳遞特性，步長為50℃(圖5a和b)。對于具有明顯v值漂移的Si-HEMT, GaN- hemt的傳遞曲線幾乎重合。為了更通用，在兩個晶片中隨機選擇10個器件進行測量并計算平均第v移值。GaN-HEMT表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，第V位移約為0.15 V至175℃，而Si-HEMT的第V位移為0.6 V(圖5c和d)。

圖5所示。25 ~ 175℃(a)和(b)的傳遞特性的半對數(shù)和Vth穩(wěn)定性取決于溫度(c)。

 

　　在漏極電壓為10 V時，研究了圖6a中5個器件的Vth均勻性。GaN-HEMT的離態(tài)泄漏電流較低，為10- 5ma /mm，第V次位移小于0.1 V，均優(yōu)于Si-HEMT。然后，測量脫態(tài)擊穿電壓，Vgs為0v, Vds從0掃至圖6b所示的擊穿電壓。GaN和Si-HEMT的擊穿電壓分別為683和507 V，這是由漏極電流達到1 mA/mm定義的。同時GaN-HEMT具有較低的漏電流。這說明GaN-HEMT比Si-HEMT具有更好的離態(tài)性能。對于動態(tài)通阻測量，關(guān)閉裝置并采用高漏壓。該偏壓條件與擊穿測量的偏壓條件相似，但漏極電壓遠小于器件的擊穿電壓。對于第二階段，用相對較小的漏極電壓打開器件，以計算通阻。通常，動態(tài)電阻問題是由晶體缺陷在阻擋層和緩沖層中的電子俘獲效應(yīng)引起的。當來自2DEG通道的電子在脫態(tài)時被缺陷捕獲，導(dǎo)通能力降低，導(dǎo)致通阻增加。較高的缺陷密度可能與更嚴重的動態(tài)電阻問題有關(guān)。另一方面，這些缺陷也會在器件中提供漏電通路，影響擊穿電壓。由以上討論可知，動態(tài)導(dǎo)通電阻和擊穿電壓都與晶體質(zhì)量有一定的關(guān)系。

圖6所示。GaN和Si-HEMT的Vth均勻性(a)和脫態(tài)擊穿電壓(b)。

 

　　為了進一步提高離態(tài)擊穿性能，首選采用場板(FP)終端設(shè)計。FP作為一種相對簡單的邊緣終端，廣泛應(yīng)用于gan基器件中，用于緩解漏側(cè)柵邊電場擁擠。因此，結(jié)合FP終端和獨立的GaN襯底，該e型器件的性能將是值得研究的。

 

　　總結(jié)：綜上所述，深圳大學劉新科研究員團隊在獨立的GaN基板上制備了具有p-GaN柵極的常關(guān)AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。為了去除p-GaN，同時減小蝕刻誤差，采用sf6基蝕刻氣體自端蝕刻技術(shù)。GaN- hemt在GaN基板上具有良好的外延性能，表現(xiàn)出比Si-HEMT更先進的電學性能，包括更高的電流密度、更低的亞閾值擺動(SS)、更低的動態(tài)通電阻以及更好的Vth穩(wěn)定性和均勻性。同時，由于同質(zhì)性GaN-HEMT具有良好的生長、良好的散熱和較高的擊穿電壓(BV)，這是由于低的位錯和缺陷。因此，GaN-HEMT具有優(yōu)異的電性能和熱性能，在電力應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

原文：   High-Performance_Normally-Off_Operation_p-GaN_Gate_HEMT_on_Free-Standing_GaN_Substrate.pdf