GaN HEMT器件钝化工艺优化

  GaN HEMT器件的电流崩塌现象严重限制了器件的高频大功率性能,是氮化物FET器件中普遍存在的问题。电流崩塌可描述为当器件在高频工作时的工作电流小于其直流工作时的值,即所谓的射频与直流的电流偏差。普遍认为电流崩塌是由栅漏电极间半导体表面态形成的虚栅引起的,在器件高频工作时,被表面态俘获的电子放电频率跟不上射频信号频率变化,导致沟道内2DEG密度降低,表现为髙频下器件的工作电流和输岀功率均低于直流特性的预测值。钝化技术可以减少表面的陷阱电荷,有效抑制器件的电流崩塌,并能防止环境中的水汽和氧对器件的侵蚀,提高器件的稳定性和可靠性,因此钝化技术的研究对GaN HEMT器件具有重要意义。
 
  以SiN作为介质的钝化技术为例,GaN HEMT研制过程中SiN钝化介质常用等离子增强化学气相沉积( PECVD)的方法得到,PECVD生长的SiN介质膜较为疏松,钝化后 GaN HEMT器件的漏电较高。感应耦合等离子体(ICP)辅助的PECVI相比于PECVD多了一个ICP射频功率,其在室温下淀积得到的介质薄膜致密性就可与 PECVD在高温下生长得到的相媲美,进一步提高成膜温度后可以获得更为致密、击穿场强更高的介质膜,可以提升对器件的钝化效果。在实验中发现,采用 ICP- PECVD方法生长在AlGaN/ GaN HEMT上的SiN介质膜表现为压应力,而由 PECVD方法生长的SiN膜表现为张应力,由于Ⅲ族氮化物材料自身具有很强的压电极化效应,因此介质钝化层的应力对器件性能及可靠性将带来重要影响。下面介绍一种结合ICP- PECVD和 PECVD两种技术的特点的新型钝化工艺,首先利用PECVD技术淀积一层SiN介质钝化膜,之后再用ICP- PECVD技术淀积另一层SiN介质钝化膜,形成一个双层SiN介质钝化层,达到一定程度应力补偿的目的。图1给出了采用两种SiN介质钝化方法 GaN HEMT正反向肖特基栅温度特性的比较。由图可见,采用单层SiN钝化膜的 GaN HEMT器件在25~175℃的环境温度变化时,其正反向栅电流出现较大离散,相比之下,采用PECVD结合ICP- PECVD形成双层SiN钝化膜的HEMT器件有效抑制了器件肖特基正反向栅电流随环境温度的漂移。由于 GaN HEMT器件输出功率大,自身热耗散严重,所引起的温升也高,通过改善器件肖特基正反向栅流随温度的变化,可以增强器件在大功率下工作时的栅控能力,从而有助于提升器件的可靠性。
采用两种SiN介质钝化方法 GaN HEMT正反向肖特基栅温度特性的比较 
图1 采用 PECVD单层SiN介质钝化膜(a)和ICP- PECVD+ PECVD双层SiN介质钝化膜(b)的GaN HEMT正反向肖特基栅电流随环境温度的变化关系

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