GaN單晶襯底顯著改善HEMT器件電流崩塌效應

研究背景

由于GaN和AlGaN材料中擁有較強的極化效應，AlGaN/GaN異質結無需進行調制摻雜就能在界面處形成高濃度的二維電子氣(2DEG)，在此基礎上發展而來的高電子遷移率晶體管(HEMT)是GaN材料最重要的器件之一，在功率器件和射頻器件領域擁有廣泛的應用前景。HEMT器件通常是在硅(Si)、藍寶石(Al2O3)、碳化硅(SiC)等異質襯底上通過金屬有機氣象外延(MOCVD)進行外延制備。由于異質襯底材料和GaN之間純在較大的晶格失配和熱失配，外延層中往往存在大量的缺陷，使得HEMT器件中存在較強電流崩塌效應，影響器件的性能發揮。

近年來，隨著大尺寸、高質量自支撐GaN襯底的成功制備，研究人員開始在自支撐GaN襯底上進行外延制備HEMT。得益于沒有晶格失配和熱失配，在自支撐GaN襯底上外延的HEMT結構中缺陷密度遠小于異質襯底上的外延樣品。包括開爾文顯微鏡、拉曼光譜、電致發光(EL)在內的很多方法常被用來表征HEMT器件中電場和電流崩塌之間的關系，所有方法中電致發光能夠簡單且非破壞性的反映出區域內最高場強。

研究進展

最近，來自日本名古屋理工學院的研究團隊利用電致發光的表征方法，證明GaN襯底上的HEMT器件相對于異質襯底上的HEMT器件在高電場下擁有更好的性能[1]。

器件結構如圖1所示，除了SiC襯底需要生長成核層之外，兩個器件結構完全一致。通過XRD確定勢壘層厚度為17.5nm，Al組分為0.22。源漏歐姆接觸電極為Mo/Al/Mo/Au，柵極金屬為Ni/Au，柵源距離、柵極長度、柵漏距離分別為1.0μm、0.8μm、6.0μm。

圖1.(a)GaN襯底和(b)SiC襯底上器件界面圖

通過圖2可以看出GaN襯底器件的飽和輸出電流密度更大，且電流崩塌更小。為了更直觀的對比，取輸出電壓為6V時，脈沖電流和直流電流比值作為電流崩塌因子，SiC襯底器件為26%，GaN襯底器件僅為8%。

圖2 直流和脈沖輸出曲線：(a)GaN襯底和(b)SiC襯底

EL測試可以對比襯底對HEMT器件中最高場強區域的影響，圖3為兩組器件的EL圖，測試漏極電壓從40V增加到100V，漏極電流為35mA mm-1。圖3(a)-3(c)為GaN襯底器件，從3(a)中可以看出在柵極附近有條狀發光區，隨著漏極電壓增大，發光區域只是輕微向漏極偏移。這一現象表明，即使是在100V的高漏極偏壓下，高場強區域依舊保持在柵極附近。圖3(d)-3(f)為SiC襯底器件，可以看到器件中條狀發光區域隨著漏極偏壓的增大向漏極發生了明顯的偏移。

圖3 (a)-(c)GaN襯底器件EL圖譜 (d)-(f)SiC襯底器件EL圖譜

為了定量討論EL發光的偏移，沿著圖3中虛線AB進行掃描，如數據圖4所示。當偏壓從40V增加到100V時，GaN襯底器件和SiC襯底器件的EL峰分別向漏極便宜了0.5μm和1.7μm。圖5展示了EL峰位和偏壓之間的關系，可以觀察到，GaN襯底器件的偏移起始電壓為60V大于SiC器件，且偏移距離的斜率也較小。

圖4 EL線掃：(a)GaN襯底器件，(b)SiC襯底

圖5EL峰位偏移距離與漏極偏壓之間關系

由于是通過異質外延進行制備，SiC襯底器件中存在較多的缺陷。在高漏極偏壓下這些缺陷捕獲電子形成空間電荷，使得器件高場強區發生偏移，也造成了嚴重的電流崩塌效應。相對的，通過同質外延制備的GaN襯底器件，擁有更好的外延層晶體質量。更少的缺陷使得更少的電子在高偏壓下被捕獲，高場強區擴展更小，器件的電流崩塌效應也更小。

該工作通過電致發光(EL)的表征方法，證明使用GaN襯底可以有效的減輕HEMT器件器件中的電流奔踏效應。隨著器件功率密度的不斷增大，GaN襯底將會是HEMT器件性能增長的重要保證。

文章來源：夏松淵江蘇第三代半導體研究院

審核編輯：湯梓紅