絕緣柵HEMT器件界面固定電荷分析

絕緣柵HEMT器件中除了存在界面態(tài)外，柵絕緣層還會在界面引入固定電荷和體電荷，研究表明柵絕緣層與氮化物勢壘層之間界面固定電荷密度可以高達1013cm-2量級。這些固定電荷不具有充放電效應(yīng)，也即不會導(dǎo)致器件閾值電壓不穩(wěn)定，但是固定電荷帶正點量會引起器件閾值電壓負(fù)向漂移，本研究中MOS-HEMT與MIS-HEMT器件相比具有更大的閾值電壓負(fù)向漂移，就是因為Al2O3與勢力層界面固定電荷密度高。閾值電壓負(fù)漂非常不利于增強型器件的實現(xiàn)，而且為了使器件關(guān)斷則需更大的負(fù)電壓，器件關(guān)態(tài)漏電增加了系統(tǒng)的功耗。另外，柵絕緣層/氮化物界面距離溝道只有20nm左右甚至更近，界面電荷的遠(yuǎn)程雜志散射會引起溝道載流子遷移率退化，嚴(yán)重影響器件跨導(dǎo)和功率增益特性。

由于界面固定電荷沒有充放電效應(yīng)，所以利用回滯曲線或變頻方法無法提供界面固定電荷信息，平帶電壓VFB漂移是常用的用于計算界面固定電荷的方法。本文首先結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)建立了肖特基柵和絕緣柵HEMT器件的平帶電壓解析模型，然后考慮柵絕緣層和勢壘層界面電荷對兩個模型進行對比，提取出了MIS-HEMT和MOS-HEMT兩種器件的有效界面電荷密度。

1. 平帶電壓解析模型

圖1 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)及電荷分布示意圖

在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中，金屬與半導(dǎo)體之間存在功函數(shù)差、界面存在電荷等原因都會使零偏置情況下溝道處半導(dǎo)體表面能帶發(fā)生彎曲，即處于非平帶狀態(tài)。要想使半導(dǎo)體表面能帶與體內(nèi)齊平，需要外加偏置電壓，稱為平帶電壓。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)和界面電荷分布如圖1所示，其中φs是表面勢壘高度，Vb是勢壘層內(nèi)建電勢，ΔEc是異質(zhì)結(jié)界面導(dǎo)帶帶階，qφF是GaN體內(nèi)費米能級相對于導(dǎo)帶底的位置，P1=P2是極化電荷，Nsd代表勢壘層表面施主態(tài)。由于GaN帽層和AIN界面插入層只有1~2nm，在能帶和電荷計算過程忽略其影響。功函數(shù)調(diào)制和極化效應(yīng)使異質(zhì)結(jié)界面能帶彎曲，形成類三角形的勢阱，勢阱深度即對應(yīng)于平帶電壓的絕對值，同時決定了界面2DEG面密度ns的大小。根據(jù)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)示意圖可以得出Ni/AlGaN/GaN肖特基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平帶電壓與能帶其他參數(shù)存在如下關(guān)系式，

其中Np是施主濃度。對于GaN基器件，緩沖層具有2×1016cm-3的高濃度背景載流子，要實現(xiàn)強反型意義下的完全關(guān)斷需要額外加較大的偏置，所以通常認(rèn)為溝道處于平帶時，即2DEG耗盡時對應(yīng)的柵壓為閾值電壓，所以文獻報道中常用（6-9）直接表示器件的閾值電壓。

圖2 AlGaN/GaN絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶及電荷分布示意圖

圖2給出了絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶即界面電荷分布示意圖，與肖特基柵結(jié)構(gòu)相比，絕緣層在導(dǎo)帶變化中引入了額外的兩個變量，絕緣層與勢壘層間的帶階ΔEc2和絕緣層內(nèi)建電勢qΔVFB。理想情況下零偏時絕緣層兩端沒有電勢差，但是絕緣層與勢壘層之間存在界面電荷，引起絕緣層導(dǎo)帶傾斜和器件平帶電壓漂移，絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)平帶電壓可以表示為，

其中上標(biāo)MIS表示此公式適用于絕緣柵結(jié)構(gòu)。絕緣層界面電荷包含界面固定電荷、絕緣層體電荷、界面態(tài)（僅被電子占據(jù)的部分能引起平帶漂移）、勢壘層表面施主態(tài)、以及表面極化電荷，假設(shè)表面施主態(tài)被極化電荷完全補償，并且絕緣層體電荷均勻分布，則界面電荷引起的平帶電壓漂移表達式為，

界面固定電荷、界面態(tài)、絕緣層體電荷都會對平帶電壓漂移產(chǎn)生影響，無法單獨提取某一種電荷的密度或濃度，所以本文引入有效界面電荷密度Neff這一概念。

已經(jīng)得出了肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件的平帶電壓公式，將兩者進行對照即可提取出絕緣層界面電荷密度。第四章中拉曼測試表明表面絕緣層對異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力很小，對極化電荷的影響可以忽略不計，所以將式（2）代入式（4）可以得到，

接下來即可利用式（6）所示的解析模型來推導(dǎo)絕緣層界面電荷密度。

2. 界面電荷計算

上文已經(jīng)建立了絕緣柵器件界面電荷計算的解析模型，接下來就是要確定器件平帶電壓及其他各項能帶參數(shù)。本文通過1/（C/Cac）2~V及其微分曲線來推導(dǎo)器件平帶電壓，如圖3所示，其中Cac表示積累區(qū)電容。隨著偏置電壓減小低于VFB，電容迅速降低，1/（C/Cac）2~V曲線在V=VFB處出現(xiàn)拐點，此拐點在微分曲線中對應(yīng)于最大的下降斜率?？梢宰⒁獾疥P(guān)態(tài)時微分曲線存在較大的振蕩，這是因為關(guān)態(tài)電容在pF量級，受噪聲影響較大。半對數(shù)坐標(biāo)系中C-V曲線顯示，在通常所認(rèn)為的閾值電壓（線性坐標(biāo)系中C-V曲線拐點）以下，器件并沒有完全關(guān)斷，而是隨著電壓繼續(xù)減小使背景電子不斷耗盡，所以以前的文獻中用公式（2）和（4）直接來表示閾值電壓是不準(zhǔn)確的。

圖3 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V測試及平帶電壓推導(dǎo)曲線

利用電容及其微分曲線提取的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平帶電壓為-2.45V，與C-V曲線的拐點相比正漂了0.05V。絕緣柵器件的平帶電壓推導(dǎo)曲線如圖4所示，MIS柵和MOS柵結(jié)構(gòu)的平帶電壓分別為-3.25V和-7.35V。對于三種柵結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)器件，取Ni/AlGaN、Ni/AIN、Ni/Al2O3接觸的表面勢壘高度分別為0.95eV（通過I-V曲線擬合得到）、3.12eV、3.5eV，AlGaN/GaN、AIN/AlGaN、Al2O3/AlGaN之間的導(dǎo)帶帶階分別為0.77eV、1.81eV、1.36eV，GaN體內(nèi)費米能級位置qφF=0.3eV。將三種結(jié)構(gòu)的平帶電壓和能帶參數(shù)代入式（5），得到AIN/III-N和Al2O3/III-N界面及絕緣層電荷引起的平帶電壓漂移量分別為0.32V和-3.78V，界面有效電荷密度分別為-1.18×1012cm-2和8.98×1012cm-2。ALD沉積的Al2O3絕緣層界面電荷引起平帶電壓負(fù)漂，與通常的絕緣柵器件閾值電壓負(fù)漂現(xiàn)象相一致，而且界面固定電荷密度高于8.98×1012cm-2；但是PEALD沉積的AIN絕緣層界面電荷卻引起平帶電壓正向漂移，與通常絕緣層界面固定電荷引起閾值電壓負(fù)漂這一預(yù)測不符，這是因為AIN與勢壘層界面固定電荷極低，界面電荷電量以深能級界面態(tài)為主導(dǎo)。

圖4 （a）MIS柵和（b）MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V測試及平帶電壓推導(dǎo)曲線

另外，根據(jù)上述研究結(jié)果還可以解釋表面鈍化層對2DEG飽和面密度的調(diào)制作用，Hall測試表明PEALD沉積AlIN表面層使2DEG密度降低，而ALD沉積的Al2O3提高了2DEG密度。2DEG密度與溝道能帶彎曲程度即平帶電壓相關(guān)，拉曼測試表明表面鈍化層對極化效應(yīng)即勢壘層能帶傾斜影響不大，則2DEG的調(diào)制作用來源于V和AVFB兩項。計算得到VoS、VoMIS、VoMOS分別為-0.12V、0.24V、1.07V，即不考慮絕緣層界面電荷影響時表面層能帶調(diào)制使溝道能帶彎曲程度減弱，對2DEG有耗盡作用。PEALD沉積AlN絕緣層界面帶有效負(fù)電荷，對2DEG產(chǎn)生進一步耗盡作用，最終表現(xiàn)為PEALD沉積AIN表面層使2DEG濃度大幅降低；但是低密度2DEG使電子間相互散射作用減弱，而且界面固定電荷密度極低，2DEG遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射作用也減弱，大大提高了載流子遷移率。對于ALD沉積的Al2O3絕緣層，界面高密度的固定電荷密度對2DEG密度有提高的作用，補償了能帶調(diào)制對2DEG的耗盡作用，最終表現(xiàn)為2DEG提高；并且溝道電子散射和遠(yuǎn)程電離雜質(zhì)散射作用增強使溝道載流子遷移率大幅度退化。

審核編輯：郭婷