美國(guó)密歇根大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)一直在研究二氧化鉿(HfO2)作為高功率和高頻氮極氮化鋁鎵(AlGaN)晶體管柵極電介質(zhì)的潛力。
AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的N極取向是有優(yōu)勢(shì)的,可以提供自然的反向勢(shì)壘來(lái)防止電流泄漏到襯底中,并將載流子限制在二維電子氣(2DEG)通道。在高達(dá)94GHz的極高微波頻率下,N極高電子遷移率晶體管(HEMT)比Ga極器件具有更高的功率附加效率(PAE)性能,這樣的頻率適用于雷達(dá)應(yīng)用中。
為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高頻和大功率操作,需要使用具有高介電常數(shù)(k)材料絕緣(HfO2)的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)柵極,以支持具有良好靜電控制的縮短?hào)艠O長(zhǎng)度,同時(shí)避免短溝道效應(yīng)。
通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積,在錯(cuò)割的藍(lán)寶石上生長(zhǎng)了N極AlGaN MOS電容器(MOSCAP)結(jié)構(gòu)。研究人員表示在這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)中通常使用漸變的Si摻雜AlGaN背勢(shì)壘來(lái)抑制由凈負(fù)極化電荷的界面處的空穴陷阱引起的電流色散。
研究樣品的變化涉及上層,2nm Al0.08 Ga0.92N層以減少柵極泄漏。氮化硅(SiNx)電介質(zhì)在MOCVD室中原位生長(zhǎng),在制造過(guò)程中充當(dāng)保護(hù)層。在電子束蒸發(fā)和820歐姆的歐姆鈦/鋁/鎳/金觸點(diǎn)退火后,沉積了HfO2,再將HfO2應(yīng)用于毯式250°C等離子增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)工藝。
研究發(fā)現(xiàn)在低于800kHz的頻率下,電容-電壓(C-V)表現(xiàn)并不理想,這是由于慢空穴陷阱造成的。閾值也移動(dòng)了約8V,表明電介質(zhì)中存在負(fù)固定電荷。在400°C的氬氣中退火可使低頻C-V行為更接近理想狀態(tài)。退火還將高頻1MHz磁滯從~3V降低到~1.1V。
使用不同的層厚提取退火的HfO2的介電常數(shù),接近該材料在其他報(bào)道中提及的值。還發(fā)現(xiàn),改變HfO2的厚度會(huì)影響2DEG的載流子密度,2DEG的載流子密度將在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中形成溝道。隨著電介質(zhì)變厚,載流子密度降低,減少歸因于電介質(zhì)中的負(fù)電荷。
研究了一些具有SiNx保護(hù)的樣品,并分別采用濕法蝕刻和等離子蝕刻去除了AlGaN頂部勢(shì)壘。使用紫外線臭氧處理以及氫氟酸最終蝕刻,可以修復(fù)因感應(yīng)耦合氯等離子體蝕刻而產(chǎn)生的表面損壞。
研究人員發(fā)現(xiàn)去除AlGaN蓋對(duì)于實(shí)現(xiàn)夾斷是必要的,這些MOSCAP的夾斷電壓要低得多,這是由于較高的柵極電容,由于柵極與溝道之間的距離較小以及較薄的GaN溝道共同導(dǎo)致溝道中較低的2DEG密度共同導(dǎo)致的。
C-V測(cè)量得出的載流子密度的計(jì)算值為4.9x1012/cm2。
在AlGaN蓋上沉積HfO2的問(wèn)題可能是由于HfO2中的氧與AlGaN中的鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在界面處形成劣質(zhì)Al2O3。
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