采用MIS栅的高压Gan HEMT

  AIGAN/GaN异质结界面晶格失配位错使HEMT阻断状态下的栅极漏电流很高。为此,Yagi等人于2007年发表了他们用MIS栅取代MES栅的解决方案。图1是这种器件的元胞结构示意图。图中可见,该MIS栅使用了比较复杂的介质组合。其中,在 AIGAN势垒层上覆盖5nm的SiN钝化层是为了减轻电流崩塌现象对漏极电流的影响;高k介质的应用是为了保持HEMT较高的电流增益,因为氧化层为减小漏电流而加厚之后会使栅电容减小,栅压对2DEG电子密度的控制能力就会因此而降低,从而使电流增益下降。为了使HEMT在高压状态下漏电流不会太高而导通时电流增益又不会下降,就要在增加氧化层厚度的同时借助高k介质以保持栅电容不变。发表这项工作的研究者们也曾试验过只用SiN和高k介质的MIS栅结构,发现这样做只能抑制电流崩塌而不能得到足够高的阻断电压,而在SiN和高k介质之间加上适当厚度的SiO2或Al2O3,则两个目的都能达到。
MIS栅Gan HEMT结构示意图 
图1 MIS栅 Gan HEMT结构示意图
 
  这里,高k介质是指HfO2,ZrO2和TiO2等介电常数较高的材料。
  该器件的基本制造工艺及相关参数如下:
  1) 使用2in蓝宝石衬底,用 MOCVD法沿衬底c轴方向顺序外延4μm不掺杂的GaN和15nm不掺杂的Al0.125Ga0.375N,二者的薄层电阻分别为10MΩ和420-510Ω。
  2) 用RIE刻出元胞两侧的隔离台面。
  3) 用电子束蒸发顺序淀积Ti/Al/Ni/Au,然后用快速退火法在780℃的氮气氛中退火30s,形成源和漏的欧姆接触。接触比电阻约为(3~5)x10-5Ω·cm2。
  4) 用电子束蒸发在200℃下顺序淀积SiN钝化层(5nm)/氧化物层(8nm)/高k介质层(50nm)。
  5) 用电子束蒸发顺序淀积Ni/Au形成栅电极。
 
  测试结果表明,采用不同氧化物和不同高k介质的样管都有很好的直流通态特性。对栅长0.5μm、栅宽50μm、栅-源距2μm、栅-漏距4μm的所有样管,在栅压4V的测试条件下,漏极电流密度都在500~600mA/mm范围,跨导也都可以达到80~120mS/mm。但是,高k介质与SiN之间有没有氧化物对器件的断态(栅极加较高负偏压的状态)特性影响很大,采用有氧化物的MIS结构可使栅极漏泄电流减小一个数量级以上,漏极电流减小两个数量级左右。在栅长4μm、栅宽50μm、栅-源距2μm、栅-漏距28μm的有氧化物样管中,高k介质为HfO2者(无论氧化物为Al2O3还是SiO2)阻断电压高达1800V;高k介质为做ZrO2的样管中,氧化物为Al2O3者阻断电压也为1800V,氧化物为SiO2者阻断电压也可达1700V。

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