Page 39 - CSC_issue4_2017_eMag.pdf

科技前沿 | Research Review

暴露 GaN HEMT 中的氧缺陷

阴极荧光揭示出 GaN 基 HEMT 上 Al O 电介质中与氧相关的缺陷
2
3

来 自日本的工程师团队通过空气退
火步骤，修补了 Al 2 O 3 层内和周围
的缺陷，从而改善了金属氧化物半导体
HEMT 的性能。
将 InAlN/GaN HEMT 在 300˚C 下空
气中退火 12 小时，跨导线性和亚阈值斜
率都得以提高。然而，富士通实验室和
北海道大学研究人员在这项工作中的最
大意义，不是器件性能的改进，而是使
用阴极荧光法对氧相关缺陷的曝光和分
类，这是一种基于电子束探测样品并测
量所发射光谱的技术。
该技术可能吸引许多追随者，因为
InAlN/GaN HEMT 中的氧化膜减小了高
的泄漏电流。Al 2 O 3 由于其很好的特性成
为深受欢迎的选择 ：非常宽的带隙、高
的介电常数和高的击穿电压。 阴极荧光暴露Al 2 O 3 中氧相关的缺陷水平和Al 2 O 3 /InAlN界面的电子态
为了防止 Al 2 O 3 降低跨导和阻碍 RF 性能，该层必须不
能太厚。实现这一点，需要采用原子层沉积形成。 对于控制对比和退火器件的测量表明，退火在 2V 的栅
Al 2 O 3 的另一个要求是其与 InAlN 界面处的低电子状态 极电压下，将最大漏极电流从小于 900mA/mm 增加到超过
密度，实现这一点可以实现稳定的阈值电压和栅极控制。确 1100mA/mm，并将开态电阻从 7Ωmm 减小到 5.3Ωmm。退
保低的态密度并不容易，目前的器件通常受制于低的漏极电 火也改善了亚阈值摆幅 ：从 127mV/dec 下降至 75mV/dec。
流，高的栅极泄漏，正向偏压下的跨导大幅度减少，以及严 对原子层沉积生长的蓝宝石上 Al 2 O 3 薄膜的阴极荧光研
重的电流崩溃。 究精确定位出了退火的好处。它产生了阴极荧光光谱中峰值
为了研究这些问题，团队使用空气退火的 Al 2 O 3 进行了 的下降，这与俘获一个和两个电子的氧空位相关。这表明退
InAlN/GaN HEMT 的性能评估。退火旨在控制 Al 2 O 3 内部的 火减少了 Al 2 O 3 薄膜中氧空位的数量。
缺陷水平和 Al 2 O 3 /InAlN 界面的电子状态。 有趣的是，在氮气中退火后，并没有观察到这种行为。
制备的 HEMT 栅极长度为 0.5 微米，栅极宽度为 50 微米， 这促使 Ozaki 和他的同事们假设空气退火增强了 Al 2 O 3 薄膜
栅极 - 漏极长度为 10 微米。原子层沉积为 300℃下 20nm 厚 中悬挂键包括氧空位的弛豫和钝化。
的 Al 2 O 3 薄膜。 空气退火的另一个影响是 Al 2 O 3 薄膜的 10％收缩，导致
在以前的研究中，该团队研究了几种不同的方法来改善 了张应力的增加。这种收缩增强压电场，并对随退火的面电
Al 2 O 3 中的缺陷水平和 Al 2 O 3 /InAlN 界面的电子状态。技术 阻减小负责。
包括沉积后和金属化后在各种温度下，在不同的气体中和持 Ozaki 认为仍然需要解决的一个问题是，与等效的
续时间的退火。 AlGaN/GaN 相比，他们 HEMT 的电压偏移相对较大。
“目前，金属化后的 300℃下空气退火 12 小时，得到了
最好的结果，”富士通的 Shiro Ozaki 解释说。这些条件用于 参考文献
提高最新器件的性能。 S. Ozaki et al. Appl. Phys. Express 10 061001(2017)

www.compoundsemiconductorchina.net 化合物半导体 2017年第4期 37