基于MOCVD欧姆再生长制备的高性能AlGaN/GaN HEMTs

徐佳豪,祝杰杰,郭静姝,赵 旭,马晓华

(西安电子科技大学,西安 716000)

0 引言

GaN基HEMTs具有高击穿电压、高二维电子气密度和高电子饱和速度等优势[1-2]。这些优势使得GaN基HEMTs器件在无线通信、卫星通信、雷达、无人机和电力电子等领域得到广泛应用。随着氮化物材料生长技术和器件工艺水平的提高,GaN基HEMTs器件的性能也不断提升,具有更高的工作频率、更大的输出功率,以及更高的功率附加效率。随着5G通信技术的普及和6G技术的提出,对GaN基HEMTs器件的工作频率和功率附加效率有了更高的要求。然而,在高工作频率的小尺寸器件中,寄生电阻会导致器件输出饱和电流和功率附加效率降低,从而限制了器件的输出功率和效率。因此,减小器件的寄生电阻成为突破GaN射频功率器件在高工作频率下的输出功率和效率的最有效方法之一[3],而欧姆接触电阻是小尺寸器件寄生电阻的重要组成部分[4]。

国内外已有许多关于降低欧姆接触电阻的方法,如优化欧姆叠层金属[5-6]、离子注入技术[7]、浅槽蚀刻[8]以及欧姆再生长技术。欧姆再生长相较于上述其他三种降低欧姆接触电阻的方法,由于欧姆区域重掺杂,不用进行高温退火,便可形成欧姆接触,能有效避免高温下欧姆金属的横向扩散,欧姆区域形貌更平滑。此外,基于欧姆再生长制备的器件,其源漏间距重新定义为源漏再生长区域之间的间距,不再受限于欧姆金属的边缘形貌,有助于器件尺寸的进一步缩小。

欧姆再生长可以通过分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)或MOCVD外延n+材料实现。到目前为止,国内外已经有许多关于MBE欧姆再生长的报告[10]。其中,HRL在2015年基于MBE外延n+-GaN实现了0.1 Ω·mm的欧姆接触电阻[11],是目前已知最低的欧姆接触电阻。随着欧姆再生长技术的不断发展与完善,开始逐渐面向产业化。但由于MBE外延相较于MOCVD外延,其生长速度较慢,并且成本较高,基于MBE的欧姆再生长并非产业化发展的最优选择。故而,基于MOCVD的欧姆再生长开始兴起,但到目前为止,国内外关于MOCVD欧姆再生长的报道相对较少。

在文章中,我们通过MOCVD二次外延实现了0.16 Ω·mm的低欧姆接触电阻,并对其进行变温TLM测试,探究基于欧姆再生长,实现的非合金欧姆接触的热稳定性。随后,对具有欧姆再生长结构的器件进行直流特性、小信号特性以及大信号特性测试分析,结果表明,基于MOCVD二次外延制备得到了高性能的AlGaN/GaN HEMTs。

1 器件结构与制备

文章所研究的外延异质结构是通过MOCVD在SiC基片上按顺序外延生长2 μm UID GaN缓冲层、1 nm AlN插入层、22 nm Al0.25Ga0.75N势垒层和2 nm GaN帽层。在室温下,通过霍尔测试得到异质结二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)的面密度和迁移率分别为1×1013cm-2和1 900 cm2·V-1·s-1,异质结的方块电阻为300 Ω/sq。

在再生长工艺前,首先利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在AlGaN/GaN异质结圆片上沉积200 nm SiO2和20 nm SiN层作为再生长掩膜。然后,进行欧姆再生长区域的定义,即通过干法刻蚀去除再生长区域的SiO2,SiN以及氮化物。通常为了使外延的n+材料与二维电子气更好的接触,需刻蚀到异质结界面下方20 nm处。刻蚀完成后,用HF溶液去除源漏再生长区域边缘上的SiO2,暴露GaN帽层,形成lip结构。采用这种lip结构,外延生长的n+-InGaN具有更好的台阶覆盖率,形成更好的欧姆接触,并且可以增加额外的电流路径,提高器件性能[12]。随后,使用MOCVD沉积150 nm的高Si掺杂n+-InGaN,Si掺杂浓度1.5×1020cm-3。外延完成后,通过在BOE溶液中浸泡,去除样品的SiO2/SiN掩模以及附着在其上方的多晶n+-InGaN。然后,在源漏n+-InGaN上沉积Ti/Au叠层金属,无需退火,形成欧姆接触。再沉积120 nm SiN做钝化层,并采用电子束光刻技术定义T型栅。最后利用电子束蒸发蒸发Ni/Au金属叠层,形成具有肖特基接触的栅电极。具有欧姆再生长结构的AlGaN/GaN HEMT截面示意图如图1所示。

图1 AlGaN/GaN HEMTs器件截面示意图

2 结果与讨论

2.1 两端特性分析

在完成欧姆接触后,通过TLM测试,提取器件欧姆接触电阻。欧姆再生器件总欧姆接触电阻(Rtotal)可以分为欧姆金属电极与n+-InGaN之间的接触电阻(Rc,m/n+)、n+-InGaN的接入电阻(Rac,n+)以及n+-InGaN与2DEG之间的接触电阻(Rc,n+/2DEG)三个部分[13]。

为了提取每个部分的电阻,在同一圆片上制备两个不同结构的TLM,分别为TLM1和TLM2。图2(a)为TLM1的数据拟合结果,基于TLM1,可以提取得到欧姆金属电极与n+-InGaN之间的接触电阻Rc,m/n+为0.04 Ω·mm,n+-InGaN的方阻Rsh,n+等于44.5 Ω/sq。此外,n+-InGaN的接入电阻Rac,n+等于n+-InGaN的方块电阻乘以距离L。

图2 两种不同结构TLM的数据拟合结果

图2(b)为TLM2的数据拟合结果,基于TLM2可以提取得到总欧姆接触电阻Rtotal以及沟道的方块电阻Rsh,ch分别为0.16 Ω·mm和342 Ω/sq。然后再利用总的欧姆电阻Rtotal分别减去Rc,m/n+和Rac,n+,可以得到n+-InGaN与2DEG之间的接触电阻Rc,n+/2DEG为0.08 Ω·mm。

图3显示了n+-InGaN/2DEG界面附近区域的TEM图像。可以看到,在n+-InGaN/2DEG界面附近存在一个大约80°的侧壁斜角,相较于Guo等报道的45°的侧壁斜角有了很大的提升,较大的侧壁倾角可以有效防止接触界面处二维电子气浓度的降低,进而改善界面电阻Rc,n+/2DEG[14]。

图3 n+-InGaN/2DEG界面附近的TEM图像

如表1所列,展示了近些年,国内外关于MOCVD欧姆再生长的相关报道,通过对比,本文实现的欧姆接触电阻处于国际领先水平。此外HEMTs在高频、大功率以及极端环境下具有巨大的应用潜力,此时良好热稳定性能的欧姆接触表现的尤为重要。

表1 国内外关于MOCVD欧姆再生长的相关报道

为了评估欧姆再生长实现的非合金欧姆接触的热稳定性,在100 K至350 K范围内进行了变温TLM测试,测试结果如图4所示。在整个测试温度范围内,非合金再生长均表现出良好的欧姆特性。

图4 100 K到350 K温度范围内欧姆接触电阻Rc和方阻Rsh与温度的关系

随着温度的升高,沟道的方块电阻Rsh,ch不断增加,材料的方阻Rsh由公式Rsh=1/qNsμn所确定,其大小与2DEG的面密度Ns和迁移率密切相关。在此温度范围内,相较于2DEG的面密度Ns,载流子迁移率受温度的影响较大,因此方阻随温度的变化主要与迁移率有关。在100 K至200 K的温度范围内,沟道方阻Rsh,ch增加缓慢,此温度范围内,与温度无关的界面粗糙度是影响迁移率的主要散射机制。而在200 K至350 K的温度范围内,沟道方阻Rsh,ch呈指数型增长,此时载流子的迁移率主要受光学声子散射所影响,为了进一步验证,根据幂律关系[19]

(1)

对Rsh-T数据进行拟合,式中,T0与Rsh0分别为室温300 K以及室温下的沟道方阻,拟合结果如图5所示,γ=-2.32,该值与Yarar和Menozzi等的报告保持一致[20-21]。而n+-InGaN的方块电阻Rsh,n+随着温度的不断升高,稳定在41.6～44.9 Ω/sq范围内。这主要是因为n+-InGaN材料采用高Si掺杂(掺杂浓度约为1.5×1020cm-3),此时,载流子的迁移率主要受到与温度无关的电离杂质散射的影响。

图5 200 K～350 K温度范围内ln(1/Rsh,ch)与ln(T)线性拟合结果

在测试温度范围内,总的欧姆电阻Rtotal和欧姆金属电极与n+-InGaN之间的接触电阻Rc,m/n+,基本保持恒定。这表明欧姆金属与n+-InGaN以及n+-InGaN与2DEG之间,在该温度范围内电流的主要传输机制可能是与温度无关的隧穿或场发射机制[22]。

2.2 三端特性分析

用Keithley 1500半导体参数分析仪对欧姆再生长结构的AlGaN/GaN HEMTs器件进行直流测试。测试器件的尺寸为:源漏间距Lsd=2 μm,栅长Lg=100 nm。在输出特性测试过程中,栅压VGS从-8 V扫描到2 V,步阶为1 V,漏压VDS从0 V扫描到10 V。测试结果如图6所示,当栅压VGS偏置在2 V时,器件的最大饱和电流密度ID,max为1 350 mA/mm,膝点电压Vknee为1.8 V(线性外推法获得),导通电阻Ron为1.4 Ω·mm。

图6 AlGaN/GaN HEMT的输出特性曲线

在栅压VGS从-8 V扫描到3 V,漏压VDS偏置在6 V的条件下进行对器件进行转移特性测试,测试结果如图7所示,器件的峰值跨导Gm,max为372 mS/mm,关态漏电为10-4量级,阈值电压VTH为-3.5 V。欧姆再生长结构的器件具有小的欧姆接触电阻,同时也表现出优异的直流特性。

图7 AlGaN/GaN HEMT的转移特性曲线

2.3 小信号和大信号特性分析

使用Agilent 8363B网络分析仪在100 MHz至40 GHz的频率范围对器件进行小信号测量。在频率测试时,源漏电压VDS偏置在8 V,频率扫描范围从0.1 GHz至40 GHz,步阶为100 MHz。当VGS=-3.2 V时,通过S参数提取得到的电流增益H21和UPG与频率的函数关系曲线如图8所示,通过斜率为20 dB/decade的线性外推得到截止频率fT和最大振荡频率fmax分别为60 GHz和109 GHz。与Çakmak等报道的fT/fmax=36 GHz/75 GHz相比,文章中的再生长器件的频率特性有了一定的提升。

图8 AlGaN/GaN HEMT的小信号特性

为了验证欧姆再生长结构的HEMTs器件在微波范围内的应用及其功率特性,分别在30 GHz和3.6 GHz频点进行连续波在片负载牵引测试。调整源阻抗和负载阻抗匹配在最大功率附加效率点,测试过程中器件均偏置在AB类。图9(a)和图9(b)分别为30 GHz和3.6 GHz下最大功率附加效率(PAE)、功率增益(Gain)和输出功率密度(Pout)与输入功率(Pin)的函数曲线。

图9 AlGaN/GaN HEMT的大信号特性

30 GHz功率测试结果显示,当VDS=20 V时,器件具有5.6 W/mm的Pout以及43.4%的峰值PAE。在3.6 GHz下,当VDS=15 V时,器件的最大Pout和峰值PAE分别为3.2 W/mm和67.1%。功率测试结果表明,再生长结构的AlGaN/GaN HEMTs在sub-6G以及Ka波段具有优异的功率特性。

3 结论

通过MOCVD实现的具有欧姆再生长结构的AlGaN/GaN HEMTs表现出优异的器件性能。器件两端测试表明,器件具有0.16 Ω·mm的低欧姆接触电阻,并且在100 K到400 K的温度范围内,总欧姆接触电阻基本恒定不变,表现出良好的热稳定性。由于欧姆接触电阻的改善,源漏间距为2 μm,栅长为100 nm的器件具有1 350 mA/mm的最大饱和电流密度、372 mS/mm的峰值跨导、1.4 Ω·mm的导通电阻以及1.8 V的膝点电压的优异直流特性。此外,小信号测试结果表明欧姆再生长结构的HEMT器件具有60 GHz/109 GHz的fT/fmax。在30 GHz的频率下,当VDS=20 V,HEMT的最大Pout为5.6 W/mm,峰值PAE为43.2%。此外在3.6 GHz的频率下,当VDS=15 V,HEMT的最大Pout为3.2 W/mm,峰值PAE为67.1%。这些结果表明,采用MOCVD欧姆再生长技术的AlGaN/GaN HEMTs可以在微波范围内有更好的应用。