徐佳豪,祝杰杰,郭靜姝,趙 旭,馬曉華

(西安電子科技大學(xué),西安 716000)

0 引言

GaN基HEMTs具有高擊穿電壓、高二維電子氣密度和高電子飽和速度等優(yōu)勢(shì)[1-2]。這些優(yōu)勢(shì)使得GaN基HEMTs器件在無(wú)線通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、無(wú)人機(jī)和電力電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著氮化物材料生長(zhǎng)技術(shù)和器件工藝水平的提高,GaN基HEMTs器件的性能也不斷提升,具有更高的工作頻率、更大的輸出功率,以及更高的功率附加效率。隨著5G通信技術(shù)的普及和6G技術(shù)的提出,對(duì)GaN基HEMTs器件的工作頻率和功率附加效率有了更高的要求。然而,在高工作頻率的小尺寸器件中,寄生電阻會(huì)導(dǎo)致器件輸出飽和電流和功率附加效率降低,從而限制了器件的輸出功率和效率。因此,減小器件的寄生電阻成為突破GaN射頻功率器件在高工作頻率下的輸出功率和效率的最有效方法之一[3],而歐姆接觸電阻是小尺寸器件寄生電阻的重要組成部分[4]。

國(guó)內(nèi)外已有許多關(guān)于降低歐姆接觸電阻的方法,如優(yōu)化歐姆疊層金屬[5-6]、離子注入技術(shù)[7]、淺槽蝕刻[8]以及歐姆再生長(zhǎng)技術(shù)。歐姆再生長(zhǎng)相較于上述其他三種降低歐姆接觸電阻的方法,由于歐姆區(qū)域重?fù)诫s,不用進(jìn)行高溫退火,便可形成歐姆接觸,能有效避免高溫下歐姆金屬的橫向擴(kuò)散,歐姆區(qū)域形貌更平滑。此外,基于歐姆再生長(zhǎng)制備的器件,其源漏間距重新定義為源漏再生長(zhǎng)區(qū)域之間的間距,不再受限于歐姆金屬的邊緣形貌,有助于器件尺寸的進(jìn)一步縮小。

歐姆再生長(zhǎng)可以通過分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)或MOCVD外延n+材料實(shí)現(xiàn)。到目前為止,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于MBE歐姆再生長(zhǎng)的報(bào)告[10]。其中,HRL在2015年基于MBE外延n+-GaN實(shí)現(xiàn)了0.1 Ω·mm的歐姆接觸電阻[11],是目前已知最低的歐姆接觸電阻。隨著歐姆再生長(zhǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,開始逐漸面向產(chǎn)業(yè)化。但由于MBE外延相較于MOCVD外延,其生長(zhǎng)速度較慢,并且成本較高,基于MBE的歐姆再生長(zhǎng)并非產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最優(yōu)選擇。故而,基于MOCVD的歐姆再生長(zhǎng)開始興起,但到目前為止,國(guó)內(nèi)外關(guān)于MOCVD歐姆再生長(zhǎng)的報(bào)道相對(duì)較少。

在文章中,我們通過MOCVD二次外延實(shí)現(xiàn)了0.16 Ω·mm的低歐姆接觸電阻,并對(duì)其進(jìn)行變溫TLM測(cè)試,探究基于歐姆再生長(zhǎng),實(shí)現(xiàn)的非合金歐姆接觸的熱穩(wěn)定性。隨后,對(duì)具有歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行直流特性、小信號(hào)特性以及大信號(hào)特性測(cè)試分析,結(jié)果表明,基于MOCVD二次外延制備得到了高性能的AlGaN/GaN HEMTs。

1 器件結(jié)構(gòu)與制備

文章所研究的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)是通過MOCVD在SiC基片上按順序外延生長(zhǎng)2 μm UID GaN緩沖層、1 nm AlN插入層、22 nm Al0.25Ga0.75N勢(shì)壘層和2 nm GaN帽層。在室溫下,通過霍爾測(cè)試得到異質(zhì)結(jié)二維電子氣(two-dimensional electron gas,2DEG)的面密度和遷移率分別為1×1013cm-2和1 900 cm2·V-1·s-1,異質(zhì)結(jié)的方塊電阻為300 Ω/sq。

在再生長(zhǎng)工藝前,首先利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)圓片上沉積200 nm SiO2和20 nm SiN層作為再生長(zhǎng)掩膜。然后,進(jìn)行歐姆再生長(zhǎng)區(qū)域的定義,即通過干法刻蝕去除再生長(zhǎng)區(qū)域的SiO2,SiN以及氮化物。通常為了使外延的n+材料與二維電子氣更好的接觸,需刻蝕到異質(zhì)結(jié)界面下方20 nm處?？涛g完成后,用HF溶液去除源漏再生長(zhǎng)區(qū)域邊緣上的SiO2,暴露GaN帽層,形成lip結(jié)構(gòu)。采用這種lip結(jié)構(gòu),外延生長(zhǎng)的n+-InGaN具有更好的臺(tái)階覆蓋率,形成更好的歐姆接觸,并且可以增加額外的電流路徑,提高器件性能[12]。隨后,使用MOCVD沉積150 nm的高Si摻雜n+-InGaN,Si摻雜濃度1.5×1020cm-3。外延完成后,通過在BOE溶液中浸泡,去除樣品的SiO2/SiN掩模以及附著在其上方的多晶n+-InGaN。然后,在源漏n+-InGaN上沉積Ti/Au疊層金屬,無(wú)需退火,形成歐姆接觸。再沉積120 nm SiN做鈍化層,并采用電子束光刻技術(shù)定義T型柵。最后利用電子束蒸發(fā)蒸發(fā)Ni/Au金屬疊層,形成具有肖特基接觸的柵電極。具有歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMT截面示意圖如圖1所示。

圖1 AlGaN/GaN HEMTs器件截面示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 兩端特性分析

在完成歐姆接觸后,通過TLM測(cè)試,提取器件歐姆接觸電阻。歐姆再生器件總歐姆接觸電阻(Rtotal)可以分為歐姆金屬電極與n+-InGaN之間的接觸電阻(Rc,m/n+)、n+-InGaN的接入電阻(Rac,n+)以及n+-InGaN與2DEG之間的接觸電阻(Rc,n+/2DEG)三個(gè)部分[13]。

為了提取每個(gè)部分的電阻,在同一圓片上制備兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的TLM,分別為TLM1和TLM2。圖2(a)為TLM1的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,基于TLM1,可以提取得到歐姆金屬電極與n+-InGaN之間的接觸電阻Rc,m/n+為0.04 Ω·mm,n+-InGaN的方阻Rsh,n+等于44.5 Ω/sq。此外,n+-InGaN的接入電阻Rac,n+等于n+-InGaN的方塊電阻乘以距離L。

圖2 兩種不同結(jié)構(gòu)TLM的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖2(b)為TLM2的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,基于TLM2可以提取得到總歐姆接觸電阻Rtotal以及溝道的方塊電阻Rsh,ch分別為0.16 Ω·mm和342 Ω/sq。然后再利用總的歐姆電阻Rtotal分別減去Rc,m/n+和Rac,n+,可以得到n+-InGaN與2DEG之間的接觸電阻Rc,n+/2DEG為0.08 Ω·mm。

圖3顯示了n+-InGaN/2DEG界面附近區(qū)域的TEM圖像。可以看到,在n+-InGaN/2DEG界面附近存在一個(gè)大約80°的側(cè)壁斜角,相較于Guo等報(bào)道的45°的側(cè)壁斜角有了很大的提升,較大的側(cè)壁傾角可以有效防止接觸界面處二維電子氣濃度的降低,進(jìn)而改善界面電阻Rc,n+/2DEG[14]。

圖3 n+-InGaN/2DEG界面附近的TEM圖像

如表1所列,展示了近些年,國(guó)內(nèi)外關(guān)于MOCVD歐姆再生長(zhǎng)的相關(guān)報(bào)道,通過對(duì)比,本文實(shí)現(xiàn)的歐姆接觸電阻處于國(guó)際領(lǐng)先水平。此外HEMTs在高頻、大功率以及極端環(huán)境下具有巨大的應(yīng)用潛力,此時(shí)良好熱穩(wěn)定性能的歐姆接觸表現(xiàn)的尤為重要。

表1 國(guó)內(nèi)外關(guān)于MOCVD歐姆再生長(zhǎng)的相關(guān)報(bào)道

為了評(píng)估歐姆再生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)的非合金歐姆接觸的熱穩(wěn)定性,在100 K至350 K范圍內(nèi)進(jìn)行了變溫TLM測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi),非合金再生長(zhǎng)均表現(xiàn)出良好的歐姆特性。

圖4 100 K到350 K溫度范圍內(nèi)歐姆接觸電阻Rc和方阻Rsh與溫度的關(guān)系

隨著溫度的升高,溝道的方塊電阻Rsh,ch不斷增加,材料的方阻Rsh由公式Rsh=1/qNsμn所確定,其大小與2DEG的面密度Ns和遷移率密切相關(guān)。在此溫度范圍內(nèi),相較于2DEG的面密度Ns,載流子遷移率受溫度的影響較大,因此方阻隨溫度的變化主要與遷移率有關(guān)。在100 K至200 K的溫度范圍內(nèi),溝道方阻Rsh,ch增加緩慢,此溫度范圍內(nèi),與溫度無(wú)關(guān)的界面粗糙度是影響遷移率的主要散射機(jī)制。而在200 K至350 K的溫度范圍內(nèi),溝道方阻Rsh,ch呈指數(shù)型增長(zhǎng),此時(shí)載流子的遷移率主要受光學(xué)聲子散射所影響,為了進(jìn)一步驗(yàn)證,根據(jù)冪律關(guān)系[19]

(1)

對(duì)Rsh-T數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,式中,T0與Rsh0分別為室溫300 K以及室溫下的溝道方阻,擬合結(jié)果如圖5所示,γ=-2.32,該值與Yarar和Menozzi等的報(bào)告保持一致[20-21]。而n+-InGaN的方塊電阻Rsh,n+隨著溫度的不斷升高,穩(wěn)定在41.6～44.9 Ω/sq范圍內(nèi)。這主要是因?yàn)閚+-InGaN材料采用高Si摻雜(摻雜濃度約為1.5×1020cm-3),此時(shí),載流子的遷移率主要受到與溫度無(wú)關(guān)的電離雜質(zhì)散射的影響。

圖5 200 K～350 K溫度范圍內(nèi)ln(1/Rsh,ch)與ln(T)線性擬合結(jié)果

在測(cè)試溫度范圍內(nèi),總的歐姆電阻Rtotal和歐姆金屬電極與n+-InGaN之間的接觸電阻Rc,m/n+,基本保持恒定。這表明歐姆金屬與n+-InGaN以及n+-InGaN與2DEG之間,在該溫度范圍內(nèi)電流的主要傳輸機(jī)制可能是與溫度無(wú)關(guān)的隧穿或場(chǎng)發(fā)射機(jī)制[22]。

2.2 三端特性分析

用Keithley 1500半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMTs器件進(jìn)行直流測(cè)試。測(cè)試器件的尺寸為:源漏間距Lsd=2 μm,柵長(zhǎng)Lg=100 nm。在輸出特性測(cè)試過程中,柵壓VGS從-8 V掃描到2 V,步階為1 V,漏壓VDS從0 V掃描到10 V。測(cè)試結(jié)果如圖6所示,當(dāng)柵壓VGS偏置在2 V時(shí),器件的最大飽和電流密度ID,max為1 350 mA/mm,膝點(diǎn)電壓Vknee為1.8 V(線性外推法獲得),導(dǎo)通電阻Ron為1.4 Ω·mm。

圖6 AlGaN/GaN HEMT的輸出特性曲線

在柵壓VGS從-8 V掃描到3 V,漏壓VDS偏置在6 V的條件下進(jìn)行對(duì)器件進(jìn)行轉(zhuǎn)移特性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示,器件的峰值跨導(dǎo)Gm,max為372 mS/mm,關(guān)態(tài)漏電為10-4量級(jí),閾值電壓VTH為-3.5 V。歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的器件具有小的歐姆接觸電阻,同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的直流特性。

圖7 AlGaN/GaN HEMT的轉(zhuǎn)移特性曲線

2.3 小信號(hào)和大信號(hào)特性分析

使用Agilent 8363B網(wǎng)絡(luò)分析儀在100 MHz至40 GHz的頻率范圍對(duì)器件進(jìn)行小信號(hào)測(cè)量。在頻率測(cè)試時(shí),源漏電壓VDS偏置在8 V,頻率掃描范圍從0.1 GHz至40 GHz,步階為100 MHz。當(dāng)VGS=-3.2 V時(shí),通過S參數(shù)提取得到的電流增益H21和UPG與頻率的函數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示,通過斜率為20 dB/decade的線性外推得到截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax分別為60 GHz和109 GHz。與?akmak等報(bào)道的fT/fmax=36 GHz/75 GHz相比,文章中的再生長(zhǎng)器件的頻率特性有了一定的提升。

圖8 AlGaN/GaN HEMT的小信號(hào)特性

為了驗(yàn)證歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的HEMTs器件在微波范圍內(nèi)的應(yīng)用及其功率特性,分別在30 GHz和3.6 GHz頻點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)波在片負(fù)載牽引測(cè)試。調(diào)整源阻抗和負(fù)載阻抗匹配在最大功率附加效率點(diǎn),測(cè)試過程中器件均偏置在AB類。圖9(a)和圖9(b)分別為30 GHz和3.6 GHz下最大功率附加效率(PAE)、功率增益(Gain)和輸出功率密度(Pout)與輸入功率(Pin)的函數(shù)曲線。

圖9 AlGaN/GaN HEMT的大信號(hào)特性

30 GHz功率測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)VDS=20 V時(shí),器件具有5.6 W/mm的Pout以及43.4%的峰值PAE。在3.6 GHz下,當(dāng)VDS=15 V時(shí),器件的最大Pout和峰值PAE分別為3.2 W/mm和67.1%。功率測(cè)試結(jié)果表明,再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMTs在sub-6G以及Ka波段具有優(yōu)異的功率特性。

3 結(jié)論

通過MOCVD實(shí)現(xiàn)的具有歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HEMTs表現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能。器件兩端測(cè)試表明,器件具有0.16 Ω·mm的低歐姆接觸電阻,并且在100 K到400 K的溫度范圍內(nèi),總歐姆接觸電阻基本恒定不變,表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。由于歐姆接觸電阻的改善,源漏間距為2 μm,柵長(zhǎng)為100 nm的器件具有1 350 mA/mm的最大飽和電流密度、372 mS/mm的峰值跨導(dǎo)、1.4 Ω·mm的導(dǎo)通電阻以及1.8 V的膝點(diǎn)電壓的優(yōu)異直流特性。此外,小信號(hào)測(cè)試結(jié)果表明歐姆再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的HEMT器件具有60 GHz/109 GHz的fT/fmax。在30 GHz的頻率下,當(dāng)VDS=20 V,HEMT的最大Pout為5.6 W/mm,峰值PAE為43.2%。此外在3.6 GHz的頻率下,當(dāng)VDS=15 V,HEMT的最大Pout為3.2 W/mm,峰值PAE為67.1%。這些結(jié)果表明,采用MOCVD歐姆再生長(zhǎng)技術(shù)的AlGaN/GaN HEMTs可以在微波范圍內(nèi)有更好的應(yīng)用。