晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結電容散射機制?

任艦 蘇麗娜 李文佳

(淮陰師范學院物聯網工程系,淮安 223600)

(2018年5月29日收到;2018年11月1日收到修改稿)

制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結圓形平面結構肖特基二極管,通過測試和擬合器件的電容-頻率曲線,研究了電容的頻率散射機制.結果表明:在頻率高于200 kHz后,積累區電容隨頻率出現增加現象,而傳統的電容模型無法解釋該現象.通過考慮漏電流、界面態和串聯電阻等影響對傳統模型進行修正,修正后的電容頻率散射模型與實驗結果很好地符合,表明晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結電容隨頻率散射是漏電流、界面態和串聯電阻共同作用的結果.

1 引 言

與傳統窄禁帶半導體相比,以GaN為代表的寬禁帶III族氮化物具有高電子飽和速度、高擊穿電場與高熱穩定性等優越的物理特性.因此,GaN材料及其異質結構非常適合用來制備高頻大功率電子器件[1?3].特別是自發極化效應顯著的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結,由于能在界面處誘導高濃度的二維電子氣(2DEG),逐漸成為高電子遷移率晶體管(HEMT)的核心結構[4?6].但是,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的廣泛應用仍然受到電流崩塌效應的限制,在高頻模式下工作時,器件輸出功率無法達到理論預測值[7?9].在傳統硅基金屬氧化物半導體(MOS)器件中,電流崩塌主要由材料中的缺陷態引起,研究人員通過電容-電壓(C-V)曲線的頻率散射行為來表征缺陷態的密度[10?12].但是,由于材料特性之間的差異,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的電容頻率散射機制與硅基MOS器件并不相同,為了準確地表征缺陷態,抑制電流崩塌,需要正確地解釋其電容頻率散射機制.

鑒于此,本文首先制備了方便測試電容的圓形平面結構的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結肖特基二極管,該結構與HEMT具有等效的柵極電流電容特性;然后通過測試和擬合器件變頻電容-頻率(C-f)特性,分析了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結的電容頻率散射機制.

2 器件制備與測試

采用金屬有機化合物氣相沉積法在藍寶石襯底上制備晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結肖特基二極管,其外延結構如圖1(a)所示,主要包括3μm非摻雜GaN層、18 nm非摻雜In0.17Al0.83N勢壘層和1 nm AlN隔離層.GaN層生長溫度為940?C,壓力為40 Torr(1 Torr≈133.322 Pa),NH3流量為1500 sccm(1 sccm=1 mL/min),V/III比為3250.InAlN層生長溫度為760?C,壓力為200 Torr,TMAl,TMIn和NH3流量分別為2.3μmol/min,5.8μmol/min和1200 sccm,V/III比為6610.在圖1(b)所示的器件平面照片中,圓形肖特基電極采用Pt/Au,直徑為100μm,與歐姆電極的間距為20μm,其微圖形采用標準光刻與剝離(lift-of f)技術定義;Ti/Al/Ti/Au歐姆接觸采用在870?C的N2氛圍中退火30 s獲得,且表面覆蓋了150 nm SiN介質;測試電極電鍍2μm金進行加厚,隔離采用臺面隔離.利用Keithley 4200 SCS精密半導體參數分析儀測量晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結肖特基二極管的電流-電壓(I-V)和C-V特性,根據室溫C-V(1 MHz)曲線計算,獲得InAlN/GaN異質界面的2DEG面密度約為1.23×1013cm?2[13].

圖1 InAlN/GaN異質結肖特基二極管的(a)橫截面示意圖和(b)光學顯微照片Fig.1.(a)Schematic cross-section and(b)optical micrograph of the fabricated InAlN/GaN heterojunction Schottky diode.

3 結果與討論

圖2所示分別為低頻和高頻下的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管C-V頻率散射特性.由圖2(a)可以看出,隨著頻率由50 kHz逐漸增加到250 kHz,器件積累區電容隨頻率的增加而逐漸降低,該現象符合傳統的HEMT器件電容頻率散射特性[14?16].然而,隨著頻率繼續增加,積累區電容隨頻率的增加而快速增加,出現電容強散射現象(如圖2(b)所示).通常情況下,電容頻率散射行為主要由界面態和勢壘層缺陷態導致.但是,根據傳統觀點,器件電容隨著頻率增加應單調減少.很顯然,缺陷態行為無法解釋高頻下電容隨頻率強散射現象.由于晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結器件是一種重要的高頻大功率應用器件,高頻散射將直接影響其高頻工作的可靠性,所以很有必要對該現象進行研究.

圖3所示為零偏壓下晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結肖特基二極管的C-f曲線(頻率變化范圍為10 kHz至1 MHz).可以看出,隨著頻率逐漸增加,電容先緩慢減小,隨后快速增加,高頻散射非常明顯.該現象會導致器件截止頻率和最大振蕩頻率的降低,影響其高頻工作的穩定性.下面將通過數據擬合的方法,分析產生該現象的原因.

圖2 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管的C-V頻率散射特性 (a)低頻;(b)高頻Fig.2.C-V frequency scattering characteristics of latticematched In0.17Al0.83N/GaN heterojunction Schottky diode:(a)Low frequency;(b)high frequency.

圖3 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN肖特基二極管電容的頻率依賴特性Fig.3. Frequency dependence of the capacitance in lattice-matched In0.17Al0.83N/GaN heterostructure Schottky diode.

圖4(a)所示為測試模型,其等效阻抗Z可表示為

其中,Rm和Cm分別為測試模型等效電路的電阻、電容;ω為角頻率.

Miller等[17]指出,GaN材料中存在較高的界面態缺陷密度,界面態和串聯電阻共同作用會導致AlGaN/GaN HEMT產生電容頻率散射行為.其模型的等效電路如圖4(b)所示,其中CB為勢壘電容,RS為串聯電阻,CP和RP分別為界面缺陷態等效電阻和等效電容.根據該模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

考慮到晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的器件結構與AlGaN/GaN HEMT相似,因此該模型被用來擬合C-f實驗數據.擬合發現,該模型中電容隨頻率增加單調減小,顯然該模型對解釋晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT積累區電容增加現象不適用.

Yang和Hu[18]指出,在硅基MOS中電容頻率散射現象主要受到漏電流和串聯電阻影響,其模型等效電路如圖4(c)所示.其中RB為流過勢壘電流的等效電阻.根據上述模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

使用該模型對實驗C-f曲線進行擬合,發現該模型無法擬合實驗數據,結果如圖3中藍色實線所示,該模型無法擬合實驗數據,因此該模型也不適用.

圖4 電容散射等效模型Fig.4.Equivalent models of capacitance scattering mechanism.

圖5 InAlN/GaN異質結肖特基二極管的室溫C-V特性(1 MHz),其中內插圖為I-V特性Fig.5.C-V characteristic of InAlN/GaN heterojunction Schottky diode measured at room temperature(1 MHz)with the I-V characteristics plotted in the inset.

圖5 所示為室溫(300 K)下測得的C-V曲線,內插圖為相同器件的I-V曲線.由圖5可觀察到以下特性:隨著反向偏壓從0 V逐漸增加到6 V,由于異質界面的高濃度2DEG逐漸被耗盡,電容隨偏壓逐漸降低.同樣地,內插圖中器件反向漏電流也在6 V時達到飽和.可以看出,晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結反向具有高達10?4A的漏電流,并且晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結的電容與反向漏電流之間存在直接聯系.由于In-AlN材料中存在強極化效應,由此產生的極化電場通常高達107V/cm,強極化電場會壓縮能帶形成近三角勢壘,從而發生Fowler-Nordheim隧穿,并形成大漏電流[19].由此我們認為在InAlN/GaN異質結中,較大的漏電流是不可忽視的因素.綜合上面兩個模型,本文對強積累區電容散射模型進行修正,該模型等效電路如圖4(d)所示.根據該模型,電容測量阻抗Z可表示為

觀測電容Cm可表示為

使用該模型對實驗C-f曲線進行擬合,擬合結果如圖3中紅色實線所示.可以看出,修正后的模型擬合結果與實驗結果符合得很好.其中,幾個重要的參數擬合結果分別為:RS=50 ?,RB=817.5 ?,CB=4.04×10?11F,參數量級基本符合文獻報道值[20].擬合得到CP和RP結果分別為:CP=2.65×10?5F,RP=0.1 ?,根據界面等效電容與界面缺陷密度關系CP=qDP,得到界面缺陷密度約為1.66×1010cm?2·eV?1,根據時間常數計算方法τP=RPCP,得到時間常數為2.65μs.根據Semra等[21]的報道,AlGaN/GaN異質界面缺陷密度量級約為1011—1012cm?2·eV?1,時間常數為1μs—3 ms,本文獲得的缺陷密度值略低于AlGaN/GaN異質結報道結果,但考慮到InAlN與GaN異質界面實現了晶格匹配,理論上InAlN/GaN異質界面缺陷密度低于AlGaN/GaN,因此擬合獲得的結果具有一定的合理性.為了獲得界面等效電容和等效電阻值,擬合時不得不假定界面等效電容CP和等效電阻RP不隨頻率變化.因此,我們認為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT積累區觀察到的電容散射是漏電流、界面態和串聯電阻共同影響的結果.

4 結 論

本文研究了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結肖特基二極管的強積累區電容頻率散射機制.考慮多種因素后對器件變頻C-f特性進行擬合,通過分析發現電容的頻率散射是漏電流與界面態俘獲電子共同作用的結果.該研究結果將進一步推動InAlN/GaN異質結器件在高頻大功率領域的應用.