高k叠层栅AlGaN/GaN MOS-HEMT器件结构实现与可靠性表征

为了进一步提高AlGaN/GaN HEMT器件的性能，满足高温、高频和大功率应用的需求，项目提出了新型的HfAlO/Al2O3 高k叠层栅AlGaN/GaN MOS-HEMT结构，研究新型器件结构的优化技术和具体的实现方法，得到高k叠层栅结构的AlGaN/GaN MOS-HEMT微波功率器件的制造方法。采用全新的快速脉冲I-V和C-V方法测量高k叠栅的陷阱和退陷特性、电流崩塌、自热效应、击穿特性等典型的电性能，定量研究器件的性能增强机理、稳定性和可靠性等基本物理问题，用微观物理量的变化解释和表征器件性能退化的原因，建立新型器件结构的表征方法。制备出具有高特征频率和最大振荡频率，高击穿电压和低栅泄漏电流的高性能AlGaN/GaN MOS-HEMT器件，使该器件结构实用化。这是首次原子层淀积高k叠层栅和复合栅HfAlO/Al2O3 的AlGaN/GaN MOS-HEMT器件结构的研究报道。

第三代宽禁带半导体在高温高频大功率应用领域表现出巨大潜力，氮化镓(GaN)凭借着优秀的物理化学和电学性能，成为近年来发展最为迅速的第三代半导体。.针对高k叠栅MOS结构的AlGaN/GaN高载流子迁移率晶体管HEMT。分析了HEMT器件工艺参数和结构变化引起的特性变化，研究了器件的工作机理与器件的物理模型，分析了器件势垒层参杂浓度、栅极金属功函数对器件的影响。增加势垒层参杂浓度、减小栅金属功函数均可增加沟道载流子浓度，结合能带论进行了分析。.研究了不同栅极结构的几种HEMT器件特性。包括肖特基栅结构、MOS栅结构、高κ叠栅结构及槽栅结构，分析了结构带来的特性变化。得到了器件电流、跨导、阈值电压的变化。从能带、电场、载流子分布和载流子迁移率随栅极结构变化的内在原因及器件潜在的可靠性问题。.MOS结构引入虽然能解决HEMT栅极正偏时大泄漏电流的问题，但严重影响了器件跨导特性。引入高k叠栅结构以及槽栅结构使器件跨导特性明显改善，在10nm槽栅情况下跨导已超过肖特基栅结构的器件。通过合理引入槽栅结构，HEMT器件沟道与势垒层电场分布得到了改善。通过一系列结构调整，得到了最大饱和电流1.9A/mm、跨导268mS/mm的高性能槽栅型高κ叠栅AlGaN/GaN MOS-HEMT。对比耗尽型与增强型器件，分析了增强型HMET器件饱和电流与跨导的退化原因。.通过研究给出了原子层淀积(ALD) HfO2/Al2O3高K堆层栅介质AlGaN/GaN MOS-HEMT器件的结构设计与电学特性。在高K叠栅介质结构中，Al2O3作为HfO2栅介质与AlGaN 势垒层之间的界面过渡层，Al2O3界面过渡层与AlGaN势垒层之间具有很好的界面质量，起到有效的表面钝化作用。蓝宝石衬底上淀积HfO2/Al2O3高K叠栅介质AlGaN/GaN MOS-HEMT 器件，最大饱和输出电流 800mA/mm，最大跨导150mS/mm，正向偏置下的泄漏电流比常规HEMT 低六个数量级，特征频率fT和最高振荡频率fMAX分别为12GHz和34GHz。采用ALD淀积HfAlO 高K复合栅介质结构能使器件更适合在高温下工作，通过向HfO2栅中掺Al 解决了低结晶温度问题。HfAlO作为栅介质有高的结晶温度，在高温工作条件下工作，器件中栅介质的特性不会退化。