研究背景

由于GaN和AlGaN材料中擁有較強(qiáng)的極化效應(yīng)，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)無需進(jìn)行調(diào)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(chǔ)上發(fā)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(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。HEMT器件通常是在硅(Si)、藍(lán)寶石(Al2O3)、碳化硅(SiC)等異質(zhì)襯底上通過金屬有機(jī)氣象外延(MOCVD)進(jìn)行外延制備。由于異質(zhì)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(qiáng)電流崩塌效應(yīng)，影響器件的性能發(fā)揮。

近年來，隨著大尺寸、高質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)中缺陷密度遠(yuǎn)小于異質(zhì)襯底上的外延樣品。包括開爾文顯微鏡、拉曼光譜、電致發(fā)光(EL)在內(nèi)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(guān)系，所有方法中電致發(fā)光能夠簡單且非破壞性的反映出區(qū)域內(nèi)最高場強(qiáng)。

研究進(jìn)展

最近，來自日本名古屋理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)利用電致發(fā)光的表征方法，證明GaN襯底上的HEMT器件相對于異質(zhì)襯底上的HEMT器件在高電場下?lián)碛懈玫男阅躘1]。

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，除了SiC襯底需要生長成核層之外，兩個器件結(jié)構(gòu)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(qiáng)區(qū)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(fā)光區(qū)，隨著漏極電壓增大，發(fā)光區(qū)域只是輕微向漏極偏移。這一現(xiàn)象表明，即使是在100V的高漏極偏壓下，高場強(qiáng)區(qū)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(fā)光區(qū)域隨著漏極偏壓的增大向漏極發(fā)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(fā)光的偏移，沿著圖3中虛線AB進(jìn)行掃描，如數(shù)據(jù)圖4所示。當(dāng)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(guān)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(guān)系

由于是通過異質(zhì)外延進(jìn)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(qiáng)區(qū)發(fā)生偏移，也造成了嚴(yán)重的電流崩塌效應(yīng)。相對的，通過同質(zhì)外延制備的GaN襯底器件，擁有更好的外延層晶體質(zhì)量。更少的缺陷使得更少的電子在高偏壓下被捕獲，高場強(qiáng)區(qū)擴(kuò)展更小，器件的電流崩塌效應(yīng)也更小。

該工作通過電致發(fā)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(yīng)。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(dǎo)體研究院

審核編輯：湯梓紅