等离子体刻蚀凹栅槽影响AlGaN/GaN HEMT栅电流的机理

对等离子体干法刻蚀形成的凹栅槽结构AlGaN/GaN HEMTs肖特基电流增加的机理进行了研究.实验表明,凹栅槽结构AIGaN/GaN HEMTs肖特基栅电流增加一个数量级以上,击穿电压有一定程度的下降.利用AFM和XPS的方法分析AlGaN表面,等离子体干法刻蚀增加了AlGaN表面粗糙度,甚至出现部分尖峰状突起,增大了栅金属与AlGaN的接触面积;另一方面,等离子体轰击使AlGaN表面出现一定量的N空位,相当于栅金属与AlGaN接触界面处出现n型掺杂层,使肖特基结的隧道效应加强,降低了肖特基势垒.由此表明,AlGaN表面粗糙度的增加以及一定量的N空位出现是引起栅电流急剧增大的根本原因.     

AlGaN/GaN HEMT凹栅槽结构器件的频率特性

采用一系列不同栅长和结构的T型栅器件来研究凹栅槽结构抑制短沟道效应和提高频率特性的作用.随着栅长不断缩短,短沟道效应逐渐明显,栅长从300 nm缩短至100 nm时,亚阈值摆幅逐渐增大,栅对沟道载流子的控制变弱,且器件出现软夹断现象.凹栅槽结构可以降低器件的亚阈值接幅,提高开关比,栅长100 nm常规结构器件的亚阈值摆幅为140 mV/dec,开关比为106,而凹栅槽结构器件的亚阈值摆幅下降为95 mV/dec,开关比增大为107,凹栅槽结构明显抑制了短沟道效应.在漏源电压为20 V时,100 nm栅长的凹栅槽结构器件的截止频率和最高振荡频率达到了65.9和191 GHz,同常规结构相比,分别提高了5.78％和4.49％.由于凹栅槽结构缩短了栅金属到二维电子气(2DEG)沟道的间距,增大了纵横比,所以能够改善器件的频率特性.     

增强型AlGaN/GaN槽栅HEMT

成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT. 栅长1.2μm,源漏间距4μm,槽深15nm的器件在3V栅压下饱和电流达到332mA/mm,最大跨导为221mS/mm,阈值电压为0.57V, ft和fmax分别为5.2和9.3GHz. 比较刻蚀前后的肖特基I-V特性,证实了槽栅刻蚀过程中非有意淀积介质层的存在. 深入研究了增强型器件亚阈特性和频率特性.     

增强型AlGaN/GaN槽栅HEMT

成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT.栅长1.2μm.源漏间距4μm,槽深15nm的器件在3V栅压下饱和电流达到332mA/mm,最大跨导为221mS/mm,阈值电压为0.57V,ft和,fmax分别为5.2和9.3GHz.比较刎蚀前后的肖特基,Ⅰ-Ⅴ特性,证实了槽栅刻蚀过程中非有意淀积介质层的存在.深入研究了增强型器件亚阈特性和频率特性.     

凹栅槽AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理效应

研究了如何减小等离子体干法刻蚀导致的大肖特基漏电.用X射线光电能谱(XPS)分析刻蚀前后的AlGaN表面,发现刻蚀后AlGaN表面出现了N窄位,导致肖特基栅电流偏离热电子散射模型,N空位做为一种缺陷使得肖特基结的隧穿几率增大,反向漏电增大,肖特基势垒降低.介绍了一种AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理方法,优化退火条件为400℃,Nz氛围退火10min.退火后,栅金属中的Ni与Ga原子反应从而减少N空穴造成的缺陷,器件肖特基反向漏电减小三个量级,正向开启电压升高,理想因子从3.07降低到了2.08.     

凹栅槽AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理效应

研究了如何减小等离子体干法刻蚀导致的大肖特基漏电. 用X射线光电能谱（XPS）分析刻蚀前后的AlGaN表面,发现刻蚀后AlGaN表面出现了N空位,导致肖特基栅电流偏离热电子散射模型,N空位做为一种缺陷使得肖特基结的隧穿几率增大,反向漏电增大,肖特基势垒降低. 介绍了一种AlGaN/GaN HEMTs器件退火处理方法,优化退火条件为400℃, N2氛围退火10min. 退火后,栅金属中的Ni与Ga原子反应从而减少N空穴造成的缺陷,器件肖特基反向漏电减小三个量级,正向开启电压升高,理想因子从3.07降低到了2.08.     

氧等离子体表面处理对AlGaN/GaN HEMT欧姆接触的影响

采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀系统,研究了氧等离子体表面处理对AlGaN/GaN HEMT欧姆接触电阻的影响。利用能量色散X射线光谱仪、光致发光谱和原子力显微镜以及电学测试设备对处理前后样品进行表征分析。结果表明,在最佳的氧等离子体处理条件(ICP功率250 W,射频功率60 W,压强0.8 Pa,氧气流量30 cm³/min,时间5 min)下,欧姆接触电阻为0.41Ω·mm,比参照样品接触电阻降低了约69%。分析认为经过氧等离子体处理后,在近表面处产生了一定数量的N空位缺陷,这些N空位表现为浅能级施主掺杂,有利于欧姆接触的形成。通过采用氧等离子体表面处理工艺制备的AlGaN/GaN HEMT,在+2 V的栅极偏压下获得了0.77 A/mm的最大漏极饱和电流。     

凹栅AlGaN/GaN HFET

研究了总栅宽为100μm栅凹槽结构的AlGaN/GaN HFET,采用相同的外延材料,凹槽栅结构器件与平面栅结构器件比较其饱和电流变化小,跨导由260.3mS/mm增加到314.8mS/mm,n由2.3减小到1.7,栅极漏电减小一个数量级.在频率为8GHz时,负载牵引系统测试显示,当工作电压增加到40V,输出功率密度达到11.74W/mm.     

凹栅AlGaN/GaN HFET

研究了总栅宽为100μm栅凹槽结构的AlGaN/GaN HFET,采用相同的外延材料,凹槽栅结构器件与平面栅结构器件比较其饱和电流变化小,跨导由260.3mS/mm增加到314.8mS/mm,n由2.3减小到1.7,栅极漏电减小一个数量级.在频率为8GHz时,负载牵引系统测试显示,当工作电压增加到40V,输出功率密度达到11.74W/mm.     

SiC衬底AlGaN/GaN HEMT的ICP通孔刻蚀

利用ICP对研制的SiC衬底上AlGaN/GaN HEMT刻蚀获得了深度为50μm的接地通孔. 器件通孔制作前首先用机械研磨的方法将衬底减薄至50μm,在背面蒸发Ti/Ni并电镀Ni至3μm作为刻蚀阻挡层;之后利用SF6/O2混合气体的电感耦合等离子体对SiC衬底进行了刻蚀;最后将Cl2和BCl3混合气体的ICP刻蚀技术运用于AlGaN/GaN外延材料的刻蚀,完成了深度为50μm的AlGaN/GaN HEMT通孔制作,通孔侧壁具有一定的斜率,适合良好的金属覆盖以形成器件正面和背面的连接. 这一技术非常适合AlGaN/GaN HEMT及其单片集成电路的研制.     

氮化镓干法刻蚀研究进展

对比了RIE,ECR,ICP等几种GaN干法刻蚀方法的特点.回顾了GaN干法刻蚀领域的研究进展.以ICP刻蚀GaN和AlGaN材料为例,通过工艺参数的优化,得到了高刻蚀速率和理想的选择比及形貌.在优化后的刻蚀工艺条件下GaN材料刻蚀速率达到340nm/min,侧墙倾斜度大于80°且刻蚀表面均方根粗糙度小于3nm.对引起干法刻蚀损伤的因素进行了讨论,并介绍了几种减小刻蚀损伤的方法.     

干法刻蚀和氢等离子体处理制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT特性

增强型p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅与源漏之间的沟道特性对器件性能具有重要的影响.在同一晶圆衬底上,采用干法刻蚀和氢等离子体处理栅与源、漏之间的p-GaN,制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT.对器件静态、动态特性和栅极漏电特性进行研究,采用两种方法制备的器件均具有较高的击穿电压(＞850 V@10 μA/mm).通过氢等离子体处理制备的器件的方块电阻较大,导致输出电流密度较低,在动态特性和栅极漏电方面具有明显的优势,氢等离子体处理技术提高了界面态的缺陷激活能,从而实现了较低的栅极反向漏电.     

Correlation Between DC–RF Dispersion and Gate Leakage in Deeply Recessed GaN/AlGaN/GaN HEMTs

Employing deeply recessed GaN/AlGaN/GaN high-electron mobility transistors, we experimentally demonstrate the correlation between the DC-RF dispersion and the gate leakage current. It was found that both the DC-RF dispersion and the gate leakage are strongly affected by surface charging. The impact of surface charging can be controlled by using GaN/AlGaN/GaN structures with varied GaN cap thickness. In the absence of field plates, the tradeoff between the DC-RF dispersion and the gate leakage can be compromised by choosing a proper GaN cap thickness. Our optimum epistructure design yields an output power density of 5.6 W/mm with an associated power added efficiency of 72% at 28-V bias and 4-GHz frequency. The gate leakage current is as low as 30 muA/mm at up to 40-V gate-drain bias.     

Effect of Gate Leakage in the Subthreshold Characteristics of AlGaN/GaN HEMTs

This letter studies the effect of gate leakage on the subthreshold slope and ON/OFF current ratio of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs). We found a strong correlation between the gate leakage current and the transistor subthreshold characteristics: the lower the gate leakage, the higher the ON/OFF ratio and the steeper the subthreshold slope. To improve the subthreshold characteristics in GaN HEMTs, the gate leakage current was reduced with an $hbox{O}_{2}$ plasma treatment prior to the gate metallization. The $hbox{O}_{2}$ plasma treatment effectively reduces the gate leakage current by more than four orders of magnitude, it increases the ON/OFF ratio to more than seven orders of magnitude and the improved AlGaN/GaN HEMT shows a nearly ideal subthreshold slope of 64 mV/dec.      

感应耦合等离子体干法刻蚀中光刻胶掩模的异常性

利用光刻胶作刻蚀掩模对半导体样品进行感应耦合等离子体干法刻蚀时发现光刻胶掩模在刻蚀后表面出现凸起和孔洞等异常现象,等离子体会透过部分孔洞对样品表面产生刻蚀损伤.利用探针式表面轮廓仪和激光共聚焦显微镜对这些异常现象进行了分析,认为是刻蚀时等离子体气氛中的紫外线对作为掩模的光刻胶进行了曝光作用而释放出一定量的氮气,从而在光刻胶内外形成了压强差而使光刻胶局部表面产生微凸起;当光刻胶的强度无法阻止内部氮气的膨胀时,则会发生类似爆炸的效果,在光刻胶表面形成孔洞状缺陷,导致掩模保护作用的失效.     

高Al组分AlGaN的ICP干法刻蚀

初步研究了采用Cl2 /Ar /He等离子体对MOCVD生长的背照射Al0. 45 Ga0. 55N材料的 ICP干法刻蚀工艺。采用离子束溅射生长的Ni作为刻蚀掩模,刻蚀速率随ICP直流偏压的增加而增加。采用传输线模型测量了刻蚀前后AlGaN材料方块电阻的变化,分析了干法刻蚀电学损伤与直流偏压的关系。用扫描电镜( SEM)观察了不同直流偏压下刻蚀台面形貌,并对其进行了分析。