GaN-Based高k氧化镨MISFETs门+紫外线界面处理技术

文摘

本研究考察了氧化镨- (Pr₂O₃-)钝化沃甘/氮化镓高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)金属绝缘体半导体具有高介电常数的沃甘肖特基层处理P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线(UV)照明。一个电子束蒸发的公关₂O₃绝缘子是用来代替传统plasma-assisted化学气相沉积(PECVD) ",为了防止plasma-induced损坏沃甘。在这部作品中,HEMTs使用P₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决方案和紫外光照前门口绝缘子(公关₂O₃)沉积。因为稳定的硫,是绑定到Ga物种可以很容易获得和表面氧原子减少P₂年代₅/ (NH₄)₂ 预处理、最低的泄漏电流是MIS-HEMT观察。此外,闪烁噪声和较低的表面粗糙度较低(0.38海里)也获得使用此小说的过程,这表明它能减少表面状态。低漏电流公关门₂O₃和高- - - - - -k沃甘/氮化镓MIS-HEMTs, P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线光照治疗,适合低噪声的应用程序,因为electron-beam-evaporated绝缘子和新的化学预处理。

1。介绍

因为他们的固有的高击穿电压(),二维电子气体(二)浓度高,高饱和速度(1,2),沃甘/氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMTs)适用于大功率和低噪声的应用程序。限制性能和可靠性的主要因素GaN-based HEMTs在无线电频率(RF)高栅泄漏电流和漏极电流崩溃,这是与本地oxide-induced表面状态(3,4]。因此,沃甘/氮化镓金属绝缘体半导体HEMTs (MIS-HEMTs)、SiO₂(5),如果₃N₄(6),遗传算法₂O₃(7),阿尔₂O₃(8],Sc₂O₃(9作为栅极电介质,进行了研究,以解决这些问题。相关作品关注高——的形成k绝缘子,它可以降低肖特基门泄漏电流在高输入信号波动,提高了信道调制。然而,沃甘之间接口的治疗和绝缘子尚未系统地研究。预处理前源之间的钝化层的沉积,排水,和门口终端是由表面陷阱的影响,造成闪烁噪声和电流崩溃问题。例如,(NH)₄)₂ 硫化处理消除本地Ga₂O₃当₂O₃半导体砷化镓,InP-related晃来晃去的债券,因为稳定的形成Ga-S和s债券在浸(10,11]。在这项工作中,P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗抑制表面陷阱进行了研究。此外,增加的效率P₂年代₅/ (NH₄)₂ 进行治疗,治疗紫外线室和高收入k 公关₂O₃门绝缘子和钝化层使用电子束蒸发沉积,这有效地阻止了plasma-induced代的表面状态。比较的闪烁脉冲噪声决定我- - - - - -V的公关₂O₃沃甘与传统氮化镓/氮化镓MIS-HEMT HEMTs表明表面陷阱被P明显抑制₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗。的观察下表面泄漏电流也提高了MIS-HEMT DC-RF色散。x射线光电子能谱(XPS)测量和二次离子质谱(SIMS)是用于研究Ga-S能源债券和深度的分布的氧和硫原子,P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗。

2。设备结构和制造

沃甘/氮化镓HEMT异质结构用于本研究种植用气压金属有机化学气相沉积(AP-MOCVD) 2英寸蓝宝石晶片。4000 nm厚的无掺杂氮化镓生长,形成缓冲和通道层。这时,一个35 nm厚的纯的_0.25遗传算法_0.75N层生长为肖特基层。设计结构有单电荷密度为1.65×10¹³厘米⁻²和一个大厅流动1060厘米²在300 K / v。图1显示了公关的横截面₂O₃/沃甘/氮化镓MIS-HEMT P₂年代₅/ (NH₄)₂ 预处理+紫外线接口。在设备的制造过程中,活跃区域被光刻胶保护和台面隔离地区被使用基类库₃+氯₂混合气体等离子体反应离子刻蚀(RIE)室。欧姆接触的钛/铝/镍/非盟(25 nm / 125海里/ 50 nm / 100海里)是用电子束蒸发沉积金属层和有图案的传统光学光刻和发射方法,其次是850°C N等退火30年代₂环境。在高的沉积k公关₂O₃绝缘子和钝化层,样本沉浸在标准治疗(稀释盐酸),(NH)₄)₂ 和P₂年代₅/ (NH₄)₂ 15分钟。图2显示了P的pH值₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决方案与P₂年代₅重量。饱和(NH的pH值₄)₂ 解决方案是11.2和混合的pH值P₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决办法是调整值7通过添加10 g P₂年代₅到30毫升(NH₄)₂ 饱和溶液。尽管(NH₄)₂ 治疗有效地删除本机沃甘表面氧化层,它不能防止表面粗糙度的增加所造成的碱性(NH)₄)₂ 解决方案。预处理浸15分钟后,沃甘表面粗糙度为0.24 nm的标准治疗和0.51和0.44 nm (NH₄)₂ 和P₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决方案。因此,P₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决方案是用作接口MIS-HEMT预处理方案。在作者的早期研究中,本地oxide-induced悬空的数量的减少债券沃甘表面,在室温下是很难去除,是通过增加溶液的温度温度60°C,但这增加使过程更加复杂和耗时。在这项研究中,使用紫外光照在P₂年代₅/ (NH₄)₂ 预处理浸,为了快速消除晃来晃去的能量与high-binding Ga-S债券债券和形式。界面的治疗后,10 nm厚的一层镨是首先蒸发,使用最优15 sccm的氧气流量。在这个阶段,燃烧室压力增加到大约10⁻⁴托。燃烧室压力减少时托,传统的Ti /非盟(30 nm / 150 nm)门金属沉积。相比之下,传统的镍/金肖特基门GaN HEMT也是捏造的。最后,Ti /非盟(30 nm / 300 nm)金属沉积形成互连和探针垫,和200 nm厚的SiO₂层沉积使钝化设备。完整的过程也用于制造传统的镍/非盟肖特基门GaN HEMT,为目的的比较。

的重要优化氧化镨高的流量k层也被考虑在内。高的电子束蒸发-k公关₂O₃薄膜进行了优化,通过调整氧气流量的室。图3显示了公关EDX测量₂O₃生长在电子束蒸器使用各种氧流量。分析稀土金属原子浓度的氧化层表明最优流量的沉积氧化镨是15层标准每分钟立方厘米(sccm),表明介电常数是最大化,因为一个强大的偶极子在最高可能形成稀土金属浓度高k氧化层。绝缘子的热稳定性也扮演着重要的角色在大功率GaN MIS-HEMTs因为门附近的直流电源主要是消散接触,导致局部焦耳自热(10]。通道的温度可以达到100°C high-output-power操作期间,导致退化和失败率增加和减少输出功率。为了评估公关的热稳定性₂O₃层,x射线光电子能谱(XPS)是用来衡量公关的结合能₂O₃薄膜在400°C, 600°C, 800°C postannealing。图4(一)显示了XPS 3d核心级光谱的公关₂O₃在不同的温度。的能量Ar-gun 3 KeV,操作电流1 mA,分析区域毫米²。看到的是公关的结合能₂O₃在400°C, 600°C, 800°C postannealing接近标准的价值934 eV的3d核心层面,记录在XPS手册。图4(一)也显示了公关的高信号强度₂O₃。因此,得出的结论是,一个高质量和高耐热高k绝缘子是通过使用electron-beam-evaporated Pr高的氧流量。高分辨率的结果横截面透射电子显微镜(TEM)证明的公关₂O₃生长在GaN平面的方式,如图4 (b)。公关₂O₃氧化等效厚度、TEM测量,是20海里。(遗传算法₂O₃)公关₂O₃复合膜的界面之间发生GaN和公关₂O₃层,生成的原生GaN表面氧化层和镨材料。

3所示。实验结果

原子力显微镜(AFM)和扫描力显微镜(SFM)具有极高的分辨率,以证明纳米分辨率的分数,1000倍比光学衍射极限。这也是使用最广泛的工具之一成像,测量,和操纵物质在纳米尺度上。收集的信息是“感觉”表面机械探针。压电元素,促进微小但准确和精确的运动(电子)命令启用非常精确扫描(11]。图5(一个)和图5 (b)显示的2 d和3 d图像沃甘/氮化镓表面的表面粗糙度与不同的治疗,使用一个公园系统衡量xe - 70。P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated展品表面粗糙度比其他硫化治疗和上级之间的接口形式沃甘肖特基层和公关₂O₃高- - - - - -k门绝缘体层。

表1显示了移动性、单电荷密度和表面粗糙度对于各种治疗设备,特点是霍尔测量在300 K。P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated设备单电荷密度为1.403×10¹³厘米⁻²和一个大厅流动1150厘米²在300 K / v;这些值分别是1.648×10¹³厘米⁻²,1060厘米²/ v, 1.512×10¹³,1087厘米²标准治疗和(NH / v₄)₂ +紫外线治疗设备。这些结果清楚地表明,P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理提高了通道流动通过减少表面陷阱的数量。

复合半导体基板的表面热处理,使用紫外(UV)光,为了提高表面反应(12]。光致发光(PL)测量图6适用于硫化后沃甘/氮化镓的完整结构,证明P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理收益率PL强度更大的沃甘肖特基层比P₂年代₅/ (NH₄)₂ 治疗或标准治疗。PL强度的增加是由于消除表面状态,产生非辐射的复合中心沃甘表面(13]。没有明显的阿尔_0.25遗传算法_0.75N信号是明显的,因为使用的激光是氦镉激光和PL信号强度_0.25遗传算法_0.75N为甘比这小得多。因为只有35 nm沃甘生长氮化镓PL评价结构硫化后,艾尔_0.25遗传算法_0.75N PL测量信号不明显。虽然P₂年代₅/ (NH₄)₂ 治疗可以抑制表面态密度,PL演示的结果,更集中的P₂年代₅/ (NH₄)₂ 解决方案与紫外线光照治疗产生一个稳定的磷氧化物层和Ga-S债券,因为磷和硫浓度较高(14]。

图7显示了和XPS谱的各种治疗设备。硫2p核心级和纯硫的结合能都是163.8 eV。镓的结合能是160 eV信号峰值的标准对待GaN样本,而信号的频谱峰值的P₂年代₅/ (NH₄)₂ 治疗设备转移到160.3 eV,因为沃甘表面包含Ga-S债券(Ga-S = 163.2 eV)后,这一过程。然而,警₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理变化的信号频谱的峰值160.4 eV,线性分布的强度从160 eV - 161 eV。的峰后转移到一个更高的结合能P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗。这一现象与Ga硫化的州(15]。因此,沃甘表面生成更多Ga-S债券由P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理比P₂年代₅/ (NH₄)₂ 治疗和这些高能债券比Ga-O更稳定的债券,在潮湿环境中形成的。

为了研究材料硫化后的沃甘表面原子组成各种治疗方法,样本服从二次离子质谱(SIMS)。图8显示了原子硫和氧浓度的样品使用前面所提到的三种方法治疗。基于测量结果如图8(一个),S原子P的浓度₂年代₅/ (NH₄)₂ 和P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated样品表面是相对较高的附近的沃甘,下降通道的两到三个数量级。然而,很少有S原子标准治疗后观察。S原子从硫化生产解决方案整合到样品表面,这是类似于CF的浸的影响₄在等离子体,用于启用GaN HEMT在增强模式(16]。为了进一步研究机制Ga-O债券的除硫治疗,进行了一个实验来确定氧浓度分布;图8 (b)显示了结果。图中曲线表明,最低的P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理去除大量的沃甘/ GaN原生氧化和减少了氧原子的数量比另一种更有效的治疗,因为紫外线照明提供了足够的能量去硫原子取代Ga-O债券和形成稳定Ga-S债券。因此,P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理不仅会产生平滑肖特基接口,减少栅泄漏电流,而且更有效地减少了氧原子的数量。既影响减少表面的密度。

图9情节的gate-to-drain电流-电压曲线为一个标准GaN HEMT,公关₂O₃MIS-HEMT, P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMT。表面状态数的减少和泄漏电流sulfide-treated样本意味着P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated MIS-HEMTs更高比其他的价值。改进的P值为1.71 V₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃门设备导致显著减少栅泄漏电流在高泵门电压,提高了线性和导致减少分散设备的信号。逆转gate-to-drain击穿电压(),定义为门泄漏电流的电压是−1 mA /毫米,−131.3 V P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated样本,允许运行在高漏电压,只有−128.2 V和公关−107.5 V₂O₃分别MIS-HEMT和standard-treated样本。

为了研究直流特性、drain-to-source电流()与drain-to-source电压()曲线为三个设备如图10。漏极电流不治疗设备之间显著差别。刺激电阻()是3.958ΩHEMTs标准治疗,0 V, 4.675Ω,4.210Ω公关₂O₃MIS-HEMTs和P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃分别MIS-HEMTs。这主要是因为硫化方案只影响表面状态,而非内在参数。然而,由于内部的陷阱门之间的接口和通道抑制P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗,这种治疗最高的样本输出电阻,导致设备的增加线性和功率增益截止频率()。输出电导()的P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMTs 0.46 mS /毫米;公关的相应的值₂O₃MIS-HEMTs和标准装置0.6 mS /毫米和1 mS /毫米,分别。

图11情节晶体管跨导()与三个设备感兴趣的曲线8 V。最大drain-to-source电流()923毫安/毫米,864 mA /毫米,和920毫安/毫米,标准HEMTs,公关吗₂O₃MIS-HEMTs, P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃分别MIS-HEMTs。最大跨导值(),有偏见,是144 mS /毫米,121 mS /毫米,分别和132 mS /毫米。这些值都是相当有利的。标准HEMTs表现出更高的峰值,因为一个高-k绝缘子是MIS-HEMTs插入结构。gate-to-channel改善信道调制,有效调节增加之间的势垒区金属门和通道。显然,高kGaN MIS-HEMTs展示大型摇摆电压和栅漏电流低。

薄片上微波测量的参数μ米²设备中进行同源性疾病配置使用一个安捷伦E8364C机构网络分析仪,从0.1 GHz 20.1 GHz。参数测量证明最大电流增益截止频率(9.2 GHz)和最大的振荡频率HEMTs 16.8 GHz的标准。这些值是公关7.9 GHz和10.7 GHz₂O₃MIS-HEMTs 8.5 GHz和16.2 GHz P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMTs,和,分别。优越的射频特性为P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMTs证明他们更大的权力和线性。表2给各种设备直流和无线电射频特性。

脉冲测量载波捕获现象特征和热效应的设备。关于捕获运营商,占据了脉冲的响应时间测量。响应时间为这些捕获运营商通常的顺序μ年代超过承运人运输的ns,尤其是对高速和大功率设备。为了更容易地观察每个设备的输出信号从下水道,增加了50Ω电阻消耗电极与电源之间,为了确定总drain-to-source当前和减少阻尼效应的输出波形。脉冲电流-电压测量三个设备也,以确认其表面诱捕效果。图12块的dc为1μ年代脉冲电流-电压测量μ米²设备在一个0 V8 V,这三个设备。门的宽度测量设备是100μm,因此加热效应可能被忽视。自表面状态确定色散效应,在高电流衰减电流密度随着脉冲宽度减小。如图,标准GaN HEMTs展示一个更大的斜率对脉冲周期比公关₂O₃MIS-HEMTs和P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMTs。很明显,P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理产生的可靠和稳定的表面性能和低载重线磁滞和更好的线性大功率设备的应用程序都预期。

调查闪烁噪声之间的关系和数量的不同的治疗设备,进行低频噪声测量,因为,在低频率,这是敏感的半导体表面(17]。低频噪声测量的偏差点被选为给出了V100 mA /毫米为所有设备。因为测量是由每个设备的串联电阻,相同的偏置点确认闪烁噪声的特点。如图13,P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated MIS-HEMT演示1 / f噪声频谱低于公关₂O₃MIS-HEMT GaN HEMT,这证明了降低表面悬挂键的数量由于P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗。

制作1μ甘米长门HEMT,公关₂O₃MIS-HEMT, P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMT测试薄片上,微波功率特性评估使用load-pull系统与自动调谐器,同时提供conjugate-matched输入和负载阻抗的最大输出功率。微波load-pull动力性能是由2.4 GHz,排水偏见的8 V,使用各种设备。偏差分AB类操作标准的HEMT,公关₂O₃MIS-HEMT, P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMT必须偏见−3.1 V,−3.7 V,−3.4 V (1/4),分别。图14显示了输出功率()、功率增益(),PAE的函数输入功率(与门的尺寸),各种设备μ米²。P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMT具有更好的直流电流和栅泄漏电流低于标准的HEMT或公关₂O₃MIS-HEMT high-input-power摇摆。PAE值是22.4%,23.6%,24.2%,标准的HEMT,公关₂O₃MIS-HEMT和P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃分别MIS-HEMT。因此,微波功率MIS-gate结构性能得到了改进,和功率增益退化也改善了high-input-power政权。减少栅泄漏电流的P₂年代₅/ (NH₄)₂ + UV-treated公关₂O₃MIS-HEMT允许显著改善设备线性(18]。

4所示。结论

总之,公关₂O₃MIS-HEMTs栅泄漏电流和低闪烁噪声较低,由于P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理,研发和特征。一个electron-beam-evaporated高k绝缘子和钝化层防止表面状态的形成等离子体。P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线处理代表了一种简单而有效的方法减少表面悬挂键的数量。基于结果的大厅、XPS和西姆斯测量,这个P₂年代₅/ (NH₄)₂ +紫外线治疗可以防止强烈的形成Ga-S债券沃甘表面。这减少表面状态同时提高载流子迁移率和抑制不稳定原生Ga-O债券。这部小说预处理因此被证明是非常适合低噪声GaN MIS-HEMT应用程序。

确认

作者要感谢纳米设备实验室(NDL)提供低频噪声测量,与国立中央大学(中央大学)提供热图像测量。这项工作是财政支持的国家科学委员会,中华民国(nsc - 97 - 2221 - e - 182 - 048 my3和nsc - 100 - 2221 - e - 182 - 009],和高速智能通信(HSIC)长庚大学的研究中心,台湾桃园,。

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