【氮化镓】GaN 器件的高温运行

《High Temperature Operation of E-Mode and D-Mode AlGaN/GaN MIS-HEMTs With Recessed Gates》，由HANWOOL LEE, HOJOON RYU, JUNZHE KANG, 和 WENJUAN ZHU (IEEE高级会员) 四位作者共同撰写，发表在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上。文章主要研究了在高温环境下，增强型（E-mode）和耗尽型（D-mode）AlGaN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）的运行情况。研究由美国国防高级研究计划局（DARPA）资助。

摘要

通过使用圆形器件结构，有效抑制了关闭状态下的电流，并在400°C时获得了高达10^8的Ion/Ioff比的记录。E-mode设备中使用了原子层刻蚀技术形成门极凹槽结构，实现了稳定的正常关闭操作，直到400°C。D-mode设备在高温操作期间经历了正的阈值电压偏移，并且在冷却到室温后，由于应变松弛，阈值电压发生了变化。而E-mode设备由于在门极下保留了非常薄的AlGaN层，因此在样品加热和冷却时阈值电压几乎没有变化。基于E-mode和D-mode设备，制造了一个直接耦合场效应晶体管逻辑（DCFL）反相器，并展示了其在400°C的稳定操作。

引言

高温电子设备在汽车、航天器、深井钻探和发动机系统等多种工业应用中的需求。然而，电子设备在高温操作下会遭受漏电流增加、稳定性差和迁移率降低等问题。GaN因其大的带隙、高击穿场、高饱和速度和高热稳定性等优点，成为高温电子设备的有希望的候选材料。文章还提到了先前研究中MIS-HEMT结构的尝试，以及它们在高温操作中遇到的阈值电压不稳定问题。

器件制造

器件制造部分详细描述了MIS-HEMTs的制造过程，包括使用商业化的AlGaN/GaN硅基衬底，以及对E-mode和D-mode设备的不同处理。E-mode设备在门下保留了4.3nm的AlGaN，而D-mode设备则没有刻蚀AlGaN层。文章还讨论了矩形和圆形两种不同器件结构的制造，以及它们在高温下的电流泄漏问题。

衬底和器件结构

制造过程开始于商业化的AlGaN/GaN硅基衬底，该衬底由2纳米GaN盖层、20纳米Al0.25Ga0.75N、1纳米AlN中间层和4.2微米非故意掺杂（UID）GaN组成。对于E-mode设备，在刻蚀后门下保留了4.3纳米的AlGaN层，而D-mode设备则没有刻蚀AlGaN层。研究中使用了两种类型的器件结构：矩形和圆形。圆形结构由于门极围绕圆形漏极电极，因此不需要介电隔离，从而实现了完整的电气隔离，并显著减少了高温下的关闭状态电流。

制造工艺步骤

清洗和介电隔离：首先对晶片进行清洗，对于矩形器件，使用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）技术，采用Cl2和BCl3进行介电隔离。
欧姆接触形成：在900°C的N2氛围中对Ti/Al/Ni/Au（20 nm/120 nm/60 nm/50 nm）堆叠材料进行电子束蒸发和退火，形成欧姆接触。
表面钝化：使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在AlGaN表面沉积150纳米的硅氮化物，以钝化表面。
门极凹槽形成：为了最小化刻蚀引起的损伤，E-mode设备中采用了原子层刻蚀技术，使用Cl2和Ar形成门极凹槽，并在其中保留了4.3纳米的AlGaN层。
栅介质沉积：通过原子层沉积（ALD）技术依次沉积10纳米Al2O3（在250°C下）、10纳米SiO2（在200°C下）和10纳米硅氧氮化物（SiON，通过PECVD在300°C下）。
源漏窗口和门极电极沉积：使用ICP-RIE技术打开源漏窗口，并通过电子束蒸发技术沉积Ni/Au（50 nm/150 nm）门极电极。
钝化和接触垫开孔：在300°C下通过PECVD沉积200纳米SiO2作为钝化层，并通过ICP-RIE使用SF6打开接触垫。
后金属化退火：在真空中500°C进行30分钟的后金属化退火。

结果与讨论

结果与讨论部分展示了D-mode GaN MIS-HEMT在室温和高温下的转移特性、跨导和输出特性。D-mode设备在高温下保持了稳定的操作，但在400°C时，最大漏极电流和峰值跨导分别降低到了195 mA/mm和19.1 mS/mm。文章还比较了矩形和圆形设备结构的高温特性，并指出圆形结构由于不需要介电隔离，因此在高温下关闭状态下的电流更小。此外，文章还展示了E-mode设备在室温和高温下的特性，并讨论了其阈值电压稳定性。

D-mode设备的性能表现

实验首先对D-mode设备在室温下的特性进行了测试，包括转移特性、跨导（gm）和输出特性。D-mode设备显示出稳定的操作，具有-14.7V的阈值电压，表明其正常的开启行为。在高温条件下（高达400°C），D-mode设备维持了稳定的操作，关闭状态下的电流得到了有效抑制，且栅极电流小于10^-6 mA/mm，显示了栅极介电层堆叠的稳定性。然而，随着温度的升高，由于AlGaN/GaN通道的迁移率降低，漏极电流单调减少。

设备几何形状对性能的影响

文章比较了矩形和圆形设备结构在高温下的特性。矩形设备通过ICP-RIE使用Cl2和BCl3定义了矩形活性区域，并在源/漏电极沉积前进行了介电隔离。而圆形设备则不需要介电隔离，因为圆形漏极电极被栅极电极包围，从而通过AlGaN/GaN通道控制了源和漏之间的所有电流。在高温下，圆形设备显示出比矩形设备更低的关闭状态下的电流，这主要归因于2D-VRH（二维变量范围跃迁）机制在圆形设备中不是主要的关闭状态下电流传导机制。

E-mode设备的性能表现

E-mode设备通过原子层刻蚀和形成门极凹槽，保留了4.3nm的AlGaN层。在室温下，E-mode设备表现出正的阈值电压为0.6V，这是通过线性外推法得出的。在高温测试中，E-mode设备保持了稳定的操作，具有陡峭的阈值斜率和抑制的关闭状态下电流，表明三层栅极介电层的稳定性。

热稳定性比较

文章还对E-mode和D-mode设备的热稳定性进行了比较。在25°C和400°C下对两个模式的设备进行了栅极堆叠电容的测量。E-mode设备的栅极堆叠电容在400°C时显示出更大的滞后现象，这归因于门极凹槽处理过程中在栅极介电层/AlGaN界面引入的界面陷阱的增加。D-mode设备的栅极电容即使在400°C下也显示出较小的滞后。

阈值电压的温度依赖性

E-mode和D-mode设备的阈值电压随温度变化的特性也得到了研究。E-mode设备在整个温度范围内阈值电压保持稳定，而D-mode设备在300°C至400°C之间阈值电压逐渐增加，这主要是由于AlGaN层的应变松弛。

电流比和子阈值摆动

文章还展示了E-mode和D-mode设备在高温下的开/关电流比（Ion/Ioff）和子阈值摆动（SS）。在400°C时，两种设备都显示出了高达10^8的Ion/Ioff比。子阈值摆动随着温度的升高而增加，且在更高的温度下增加量更大。

高温操作后的可逆性

文章还探讨了E-mode和D-mode设备在高温操作后的可逆性。E-mode设备显示出良好的可逆性，几乎没有阈值电压偏移，而D-mode设备则显示出正向的阈值电压偏移，这主要是由于AlGaN层的应变松弛。

DCFL反相器的高温性能

最后，文章还展示了基于E-mode和D-mode设备制造的DCFL反相器在高温下的性能。反相器的转移特性在高温下逐渐向负方向移动，但直到400°C也没有出现戏剧性的失真。反相器的增益随着温度的升高而逐渐增加，表明两种设备在集成到反相器中后，没有出现严重的热退化，E-mode设备的阈值电压稳定性得到了保持。

结论

通过使用圆形器件结构和原子层刻蚀门极凹槽，实现了E-mode和D-mode AlGaN/GaN MIS-HEMT在400°C下的稳定操作。这些设备在400°C时显示出了高达10^8的Ion/Ioff比和高达21.4 mS/mm和19.1 mS/mm的大跨导。E-mode设备在高温下保持了正常的关闭操作和稳定的阈值电压，而D-mode设备由于应变松弛，阈值电压逐渐变化。使用E-mode和D-mode设备制造的DCFL反相器在高温下显示出了稳定的转移特性，这表明了高温逻辑和存储器的可行性。

图1: D-mode圆形AlGaN/GaN MIS-HEMT的特性

图1a: 展示了没有门极凹槽的D-mode圆形AlGaN/GaN MIS-HEMT的示意图。
图1b: 室温下的转移特性，显示了D-mode设备稳定的操作和-14.7V的阈值电压。
图1c: 室温下的输出特性，展示了最大电流和峰值跨导。
图1d: 不同温度下的转移特性，显示了设备在高温下仍保持稳定的操作。
图1e: 高温下的栅极电流，表明栅极介电层堆叠的稳定性。
图1f: 随着温度升高，输出漏极电流的单调减少，归因于AlGaN/GaN通道迁移率的降低。

图2: 矩形与圆形MIS-HEMT的比较

图2a 和 图2b: 分别展示了矩形和圆形AlGaN/GaN MIS-HEMT的顶视图。
图2c 和 图2d: 展示了矩形D-mode MIS-HEMT在高温下的转移特性和栅极电流。
图2e: 展示了矩形和圆形设备在不同温度下的关闭状态漏极电流，圆形设备的关闭状态电流明显更低。
图2f: 通过立方根温度函数绘制的对数关闭状态通道电导，表明矩形设备的关闭状态电流主要由2D-VRH机制主导。

图3: E-mode圆形AlGaN/GaN MIS-HEMT的特性

图3a: 展示了具有门极凹槽的E-mode圆形AlGaN/GaN MIS-HEMT的示意图，其中在门极区域保留了一层薄的AlGaN层以保护GaN表面。
图3b: 室温下的转移特性和输出特性，由于门极凹槽结构，得到了正的阈值电压。
图3c: 室温下的跨导和输出特性，显示了合理的最大电流和峰值跨导。
图3d , 图3e , 图3f: 展示了E-mode MIS-HEMT在高温下的特性，包括转移特性、栅极电流和输出特性，设备显示出稳定的操作和抑制的关闭状态下电流。

图4: E-mode和D-mode MIS-HEMT的热稳定性比较

图4a 和 图4b: 展示了在室温和400°C下测量的E-mode和D-mode设备的栅极堆叠电容。
图4c: 展示了E-mode和D-mode设备阈值电压随温度的变化，E-mode设备显示出更好的温度稳定性。
图4d: 展示了在高温下测量的开/关状态漏极电流。
图4e: 展示了E-mode和D-mode设备在高温下的Ion/Ioff比，即使在400°C也保持了10^8的高比率。
图4f: 展示了高温下的平均子阈值摆动和界面陷阱电容，随着温度的升高而增加。

图5: E-mode和D-mode MIS-HEMT的可逆性

图5a: 展示了热应力和测量前及热应力后的测量温度曲线。
图5b 和 图5c: 展示了E-mode和D-mode设备在高温操作后的转移特性和跨导，E-mode设备显示出良好的可逆性。
图5d 和 图5e: 展示了E-mode和D-mode设备在室温下经过热应力后的输出特性，表明通道质量在高温操作中没有降低。

图6: 基于E-mode和D-mode MIS-HEMT的DCFL反相器

图6a 和 图6b: 分别展示了基于E-mode和D-mode AlGaN/GaN MIS-HEMT的DCFL反相器的电路图和器件示意图。
图6c 和 图6d: 展示了DCFL反相器在不同温度下的转移特性和电压增益，即使在400°C也显示出稳定的性能。