基于電導法的GaN/AlGaN HEMT界面態分析

摘 要:本文通過I-V法測試得到25-200℃范圍內GaN/AlGaN HEMT器件直流特性隨溫度的退化情況，同時通過C-V法測試了器件在25-100℃范圍內電容、電導隨頻率、溫度變化的特性。經電導法分析發現器件界面處存在高密度陷阱態進一步分析認為，高密度界面陷阱態是引起器件高溫特性退化的原因。

關鍵詞:GaN/AlGaN HEMT界面態電導法退化

中圖分類號:TN710文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0080-01

1引言

AlGaN/GaN HEMT禁帶寬度大，擊穿電場高、2DEG濃度高的特點使其廣泛應用于高溫、高壓以及高頻大功率等領域[1]。然而大量實驗發現器件特性隨溫度的升高會發生不同程度的退化，嚴重影響器件優良特性的發揮。由于器件有源區生長在不同襯底材料(藍寶石、SiC、Si等)上，且GaN材料與這些襯底材料之間存在嚴重晶格失配現象，這使器件異質結界面處或器件表面存在大量高密度缺陷[2]。常用電導法表征器件缺陷。

本文通過I-V法測試了器件直流特性隨溫度的變化關系，同時應用C-V法測量了器件電容、電導隨頻率、溫度的變化關系，采用異質結界面態模型，通過電導法提取了器件異質結處陷阱態密度和時間常數。

2實驗與測試

實驗所用的器件結構為標準工藝制造。首先，在藍寶石襯底上生長一層20nm的ALN成核層，再用MOCVD的方法生長3μm后的GaN緩沖層，然后，接著生長一層25nm厚，Al組分為30%的AlGaN勢壘層。源漏歐姆接觸采用Ti/Al/Ni/Au(15/220/40/50nm)四層金屬，并在900℃下退火1min。肖特基接觸采用Ni/Au(20/150nm)，接觸面積為12360μm2。

首先進行器件I-V測試，應用HP4155B精密半導體參數測試儀在Cascade探針臺測上對器件進行直流測試。為了避免光照和外部環境溫度的影響，加熱裝著和器件測試設備在一個封閉的暗場中進行。將探針臺溫度從25℃升溫到200℃，每隔25℃測試一次器件直流特性。為保證器件溫度與探針臺溫度同步，在探針臺溫度升至測試溫度點后，穩定10min，再對器件進行測試。然后，應用HP4294A高精度低頻阻抗分析儀測試器件測試25℃～100℃溫度范圍內的電容、電導，測量時，選用并聯模式，測量頻率范圍為100kHz～5MHz，考慮到寄生電容的影響，每次進行頻率測量時，都進行開路短路校正。

3結果與分析

通過直流測試得到的器件峰值跨導和飽和電流隨溫度的升高呈現不同程度的退化。在25～200℃溫度范圍內，器件的峰值跨導降低了63.3%，漏極飽和電流隨溫度的升高近似線性下降，在柵壓為0V時，由25℃時的172.87mA/mm降低到200℃時的95.63mA/mm，降低了44.6%。

為同時得到電容、電導，選擇并聯模式對器件進行C-V測量。測量并聯電路如圖1(a)所示。

為提取器件異質結界面態密度與時間常數，使用圖1(b)所示模型。其中Cit為界面態陷阱電容，CB是勢壘層電容，CS是靠近異質結處隔離層電容，RS為串聯電阻。更直觀分析，先把圖1(b)所示電路轉化為圖3(c)所示等效電路。其中，

(2)

(3)

測量樣品肖特基器件在閾值電壓附近的電容與電導值，并通過應用公式(2)與公式(3)的計算，得到等效電容與電導。其中CB勢壘電容可以從C-V曲線的積累區讀出。分局測量得到的電容、電導隨溫度、頻率的變化曲線，通過式(2)、(3)轉化，得到不同溫度點下等效電容CP與等效電導GP隨角頻率的變化。

假設界面態存在于單一能級，界面態密度Dit，時間常數τ可通過公式(4)、(5)得到:

(4)

(5)

通過計算，不同溫度點下，器件異質結界面態密度如表1所示:

可以看出，隨溫度的升高，器件的界面態密度減小。相關文獻表明[3]，當異質結界面態密度大于1.0×1012cm-2eV-1時，界面態對器件的電流電壓特性有較大影響。較大界面態密度會導致器件柵極對溝道電流的控制能力減小，器件特性降低。由計算得到的器件異質結界面態密度遠大于1.0×1012cm-2eV-1，由此可知，高密度界面態是引起器件特性高溫退化的原因。

4 結語

本文通過I-V法在25～200℃溫度范圍內測試得到的器件直流特性隨溫度的升高而退化，其中峰值跨導減小63.3%，飽和電流減小44.6%。同時應用C-V法測量得到器件電容、電導隨頻率、溫度的變化關系，并采用異質結界面態模型，通過電導法提取了器件異質結處陷阱態密度和時間常數，分析證明，高密度界面態是引起器件特性退化的原因。

參考文獻

[1]E. Arslan， S. Bütün， S. B. Lisesivdin， M. Kasap， S. Ozcelik， and E. Ozbay， J. Appl. Phys.103，103701(2008).

[2]Engin Arslan，emsettin Altndal，Süleyman zelik， and Ekmel Ozbay，J.Appl.Phys.105，023705(2009).

[3]張興宏，程知群，夏冠群，徐元森，半導體學報，20(11):989-993 (1999).