氧等离子体对GaN HEMT器件的影响

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【摘要】研究了不同条件下氧等离子体对gan器件表面的影响。在合适的条件下，氧等离子体可以使AlGaN表面发生氧化，形成Al2O3薄氧化膜，提高肖特基势垒，从而降低GaN器件的阈值电压，提高器件导通电流。该结果可望用于更高性能AlGaN/GaN hemt器件制备的应用中。

【关键词】高电子迁移率晶体管（HEMT）；阈值电压；氧等离子体处理；跨导

1.引言

宽禁带半导体材料氮化稼（GaN），以其良好的物理化学特性、电学特性成为目前研究最多的半导体材料，它是继第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导体材料砷化嫁（GaAs）、磷化嫁（GaP）、磷化锢（InP）等之后迅速发展起来的第三代半导体材料。与目前大多数的半导体材料相比，GaN半导体材料具有一系列优异的物理和化学性质，有禁带宽度大，电子饱和漂移速度大，热导率高，热稳定性好等特点，已成为当前高科技领域的研究重点。自从1991年首次报道以来，虽然AlGaN/GaN HEMT的器件性能一直在不断提高，但是要真正实现实用化，应用于集成电路中，仍有许多需要解决的问题，如如何更好更简单的调节器件阈值电压、提高器件的导通电流就是其中之一。

本实验提出了一种简单方便的降低器件阈值电压、提高器件导通电流的栅表面处理方法。通过氧等离子体对HEMT器件AlGaN表面进行氧化处理，提高了器件肖特基势垒，降低了器件阈值电压。同时氧等离子体处理的表面不会引入新的绝缘膜而影响器件特性。

图1 AlGaN/GaN异质结示意图

图2 栅金属形成后器件图

（AlGaN周围浅绿色为栅金属8nm Au）

2.结构与工艺

HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结，如图1所示，AlGaN/GaN HEMT器件的AlGaN和GaN界面处会形成一个2DEG的表面通道，此2DEG受控于栅极电压。零偏时，GaN的导带边缘低于费米能级，表明存在大密度2DEG；在栅极加负电压时，GaN的导带边缘会逐渐上升，2DEG的密度减少，当负电压达到一定值后，GaN的导带边缘会高于费米能级，这就意味着2DEG被耗尽，HEMT的沟道中电流几乎为零，将这一电压称为阈值电压。

本实验采用的外延材料是用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法生长在蓝宝石（0001）衬底上的AlGaN/GaN异质结结构，由西安电子科技大学微电子所提供。AlGaN/GaN异质结结构材料如图1所示，由上到下依次是：约2nm厚的GaN盖帽层、20nm厚的非故意掺杂的Al0.25Ga0.75N势垒层、1nm厚的AlN插入层、1.5um厚的非故意掺杂的GaN缓冲层，最后是低温生长的约200nm的AlN缓冲层，室温霍尔测试测得的二维电子气浓度为0.77×1013cm-2。

AlGaN/GaN HEMT研制一般主要分以下三步工艺：

（1）隔离岛形成，ICP刻蚀；

（2）欧姆接触形成，电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au金属；

（3）金属栅形成，电子束蒸发Ni/Au金属。

本文主要是在第三步金属栅工艺前对AlGaN表面进行一次不同条件的氧等离子体Plasma处理。为了对比不同条件下氧Plasma对器件性能的影响，将HEMT器件分成A、B两组。具体工艺如下：

先依次对A、B两组样品进行栅表面处理，使用M4L干法去胶机处理样品以去除底胶，功率为200W，时间90s，之后使用HCl（1：10）水溶液清洗90s以去除氧化层。

再分别对2部分样品进行处理：A部分不做任何处理，直接淀积栅金属进行测试；B部分采用O2 plasma在200W功率条件下处理5min，然后再淀积栅金属介质层，所用设备均为M4L干法去胶机。

完成上面对AlGaN表面的处理后，电子束蒸发厚度为8nm的Au，然后丙酮浸泡处理10min，剥离工艺形成长金属栅，最后乙醇清洗5min，去离子水冲洗10遍。栅金属形成后的样品如图2所示。使用设备PM8屏蔽探针台和HP4145B半导体测试仪对器件进行测试及分析。

3.结果与讨论

图3所示为AlGaN表面未进行氧Plasma处理的样品A和经过5min氧Plasma处理的样品B分别所对应的输出曲线，测试条件为Vds从0V扫描到15V，步长为0.5V，Vgs从-7V扫描到2V，步长为1V。从图3中可以看出，未进行氧Plasma处理的样品A在Vgs=2V，Vds=10V时的饱和电流约为0.0687A/mm=68.7mA/mm，经过5min氧Plasma处理后的样品B在Vgs=2V，Vds=10V时的饱和电流上升为0.0747A/mm=74.7mA/mm。这一结果表明经过5min氧Plasma处理后的器件表面并未受到损伤，而是提高了器件的饱和电流。

图4所示为A、B两种样品的转移、跨导曲线，测试条件为Vds偏置在5V，Vgs从-7V扫描到2V，步长为0.1V。未进行氧Plasma处理的样品A的最大跨导在Vgs=-1V处，为0.00871S/mm=8.71mS/mm，漏电流为0.027288A/mm=27.288mA/mm，经过5min氧Plasma处理后的样品B的最大跨导出现在约Vgs=-1.5V处，负向偏移了约0.5V，最大跨导为0.00948S/mm=9.48mS/mm，漏电流为0.029165A/mm=29.165mA/mm，均比氧Plasma处理前有所提高。这一结果表明氧Plasma处理后提高了器件的最大跨导，提高了器件性能。

由HEMT器件饱和区电流公式：

及HEMT器件跨导公式：

可知器件饱和电流及跨导均与阈值电压有较大关联，目前阈值电压的提取方法有很多，包括恒定电流法、线性区外推法、跨导外延法、二次求导法、比率法、积分法、饱和区提取法等，本文采用饱和区提取法。

由饱和区电流公式推出：

即当器件工作在饱和区时，与成线性关系，当为0时，此时的栅偏置即近似于阈值电压。图5是图4中的转移曲线开方后所得到的曲线，图中实线标注部分为拟合区间，其中图5a为未经过氧Plasma处理的样品A的～曲线，其一阶拟合方程为y=-0.19527+0.0293x，在轴上的截距约为-6.66，所以其阈值电压约为-6.66V；图5b为经过5min氧Plasma处理的样品B，其一阶拟合方程为y=-0.21411+0.02943x，在轴上的截距约为-7.27，所以其阈值电压约为-7.27V。结果表明经过氧Plasma处理后，HEMT器件阈值电压发生了负移，由于阈值电压的减小，提高了器件的饱和区电流、跨导，实验与理论值相符。

对于氧Plasma处理AlGaN表面可以降低HEMT器件阈值电压的原因可能是器件表面形成了一层氧化膜，即AlGaN与O2发生了反应，反应方程为：

相当于器件表面多了一层薄Al2O3绝缘层[6]，然后再淀积栅金属8nm Au，Al2O3禁带宽度大，如图6所示：

图6 Al2O3和Al0.3Ga0.7N的能带图

由于在AlGaN与栅金属Au之间多了一层薄Al2O3层，相当于降低了Au与AlGaN之间的肖特基势垒高度，根据阈值电压公式：

其中为肖特基势垒高度，即经过氧Plasma处理后的样品的降低了，减小。从而提高了器件的饱和导通电流，提高了器件的电学特性。

4.结论

本文研究了一种简单的提高HEMT器件电学性能的工艺方法，通过对HEMT中AlGaN表面进行适当条件的氧Plasma处理，可以有效降低器件阈值电压，提高器件饱和区电流，从未处理前的68.7mA/mm上升至74.7mA/mm，同时也提高了器件最大跨导，从未处理前的8.71mS/mm上升至9.48mS/mm。因此该方法可有效的应用于高性能GaN HEMT器件的制备应用中。

参考文献

[1]唐广，郝智彪，钱可元，等.氧气等离子体处理对AlGaN肖特基接触的影响[J].功能材料与器件学报，2004（12）， 10，4.

[2]任春江，陈堂胜，焦刚，等.SiN钝化前的NF3等离子体处理对AlGaN/GaN HEMT性能的影响[J].半导体学报.2008（12），29，12.

[3]薛伟，李加东，谢杰，等.高灵敏度AlGaN/GaN HEMT生物传感器设计及制作[J].微纳电子技术.

[4]蔡金宝.AlGaN/GaN异质结湿法腐蚀工艺开发和GaN基生物传感器的工艺研究[D].北京大学硕士学位论文.

[5]谢峰.AlGaN/GaN异质结材料特性与HEMT器件研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文.