基于GOI技术的增强型GaN MIS-HEMT器件结构及特性

近年来对器件尺寸缩小的要求，超薄体区(Ultra thin body，UTB)的器件也越来越重要。在Si基器件中UTB SOI(Silicon on insulator)器件能在纳米尺度下提供载流子稳定的静电学特性以及量子限制作用，这在短栅长器件中由于短沟道效应的存在，就显得尤为重要。在Ⅲ族氮化物中，GaN材料可使用宽禁带的绝缘介质AlN来达到类似SOI结构，即GaN-on-Insulator(GOI)结构，让UTB GaN沟道生长在绝缘的AlN成核缓冲层上，使GaN沟道受应力，同时在受应力的GaN沟道上生长无应力的势垒层，能够有效提高器件的可靠性。

  本文提出的AlGaN/GaN MIS-HEMT就是基于这种GOI结构，通过极化工程来耗尽栅下沟道的2DEG，以实现增强型工作。

  1. 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT器件建模
  图1为基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT器件结构图，具体结构参数见表1。

图1 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT结构图

表1 复合沟道层AlGaN/GaN MIS-HEMT结构和材料参数表

  基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT与基于GOI技术的常规器件除了采用AlGaN背势垒层外，完全相同。AlGaN背势垒的Al组分与AlGaN势垒层的Al组分相同，其生长在AlN成核缓冲层上，位于栅极正下方区域，与栅极完全对齐。采用MIS结构，主要是增强型结构需要在栅极上加上较高的正偏压，传统的肖特基结构在正偏压会开启导通，所以为了提高栅压的应用范围采用了MIS结构。

  2. 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT电学特性
  基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT原理主要是由于AlN成核层结构多为非晶结构，本身不具备极化效应，因此可在AlN成核层上生长一层具有极化效应AlGaN背势垒，来达到实现极化工程，耗尽耗尽栅极下方沟道2DEG的效果，以实现增强型工作。AlGaN势垒层与GaN沟道层的界面由于极化效应会产生净的正极化电荷，GaN沟道层与AlGaN背势垒的界面会产生净的负极化电荷，通过调节AlGaN背势垒和AlGaN势垒层的Al组分，当二者Al组分相同时，正的极化电荷和负的极化电荷数相同，达到电荷平衡，使栅极下方沟道处2DEG耗尽，实现增强型工作。

  这样实现的增强型结构基于GOI工艺实现相对简单，相比薄势垒结构能达到更高的阈值电压和最大饱和漏电流，同时无需掺杂，避免了掺杂所带来的缺陷等影响。相比氟离子注入、凹栅结构等后工艺实现方法，本发明避免了对完成后的器件造成损伤，提高了器件可靠性。

  图2为零偏置下基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT器件栅下垂直方向的导带图，可见基于现有的常规GOI技术的GaN MIS-HFET的沟均在费米能级EF以下，表现为常开型器件；而本发明提供的增强型GaN MIS-HFET的沟道导带底在费米能级EF以上，说明其势垒层和复合沟道层的极化强度相抵消，能够实现常关型工作。

图2 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT栅下垂直方向的导带

图3为基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT的转移特性，其中V_ds=5V，V_gs从0V扫到5V。在引入AlGaN背势垒层之后，通过转移特性外推得到的阈值电压V_T为1.8V，说明器件实现了增强型工作。

图3 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT的转移特性

图4 基于GOI技术的增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT的输出特性

图4为复合沟道层AlGaN/GaN MIS-HEMT的输出特性，其中V_ds从0V到6V，V_gs从0V变化到5V，步长为1V。可见，复合沟道层AlGaN/GaN MIS-HEMT的最大饱和漏极电流为570mA/mm，满足应用的需要。

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