C-V測試是研究絕緣柵HEMT器件性能的重要方法，采用Keithley 4200半導(dǎo)體表征系統(tǒng)的CVU模塊測量了肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V特性。

1. C-V曲線及載流子濃度分布

圖1給出了肖特基柵、MIS柵、MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V測試結(jié)果，測試頻率設(shè)定在100KHz，測試中采用電容和電導(dǎo)并聯(lián)的測試模型。C-V曲線存在兩個上升階段，第一個上升區(qū)域?qū)?yīng)異質(zhì)結(jié)界面2DEG的積累，對于絕緣柵器件，第一個積累區(qū)的電容可以用平板電容近似為勢壘層電容和柵絕緣層電容的串聯(lián)；而第二個上升區(qū)域?qū)?yīng)載流子在柵絕緣層與勢壘層界面的積累，有效積累后電容值應(yīng)對應(yīng)于柵絕緣層電容。柵絕緣層的引入使得積累區(qū)電容值大幅降低，根據(jù)平板電容近似和絕緣層設(shè)計厚度值可以推導(dǎo)出PEALD沉積AlN和ALD沉積Al2O3絕緣層的介電常數(shù)分別為10和6.7。電壓偏置大于1V時，泄漏電流導(dǎo)致肖特基柵結(jié)構(gòu)的C-V曲線急劇下降，這可以從電導(dǎo)曲線中的電導(dǎo)迅速上升看出；采用絕緣柵結(jié)構(gòu)后，電容曲線則沒有發(fā)生下降，電導(dǎo)曲線在絕緣層勢壘層積累區(qū)域出現(xiàn)第二個峰值。與直流特性相同，Al2O3柵絕緣層導(dǎo)致了較大的曲線負(fù)負(fù)向平移，而MIS柵結(jié)構(gòu)的曲線平移量很小。

圖2 肖特基柵和絕緣柵異質(zhì)結(jié)的載流子濃度隨深度的變化關(guān)系

為了提取有源區(qū)和絕緣層材料的實際厚度以及材料層中的電子濃度，研究了器件載流子濃度隨深度變化的分布曲線，耗盡層寬度（即載流子深度）和載流子濃度分別利用式（49）和（4-10）推導(dǎo)得到，最終得到的三種結(jié)構(gòu)的載流子分布曲線如圖2所示。異質(zhì)結(jié)界面2DEG濃度在1020cm-3-1021cm-3量級，非故意摻雜的AlGaN勢壘層和GaN緩沖層的背景載流子濃度分別在1018cm-3和1016cm-3量級。對于絕緣柵、MIS柵、MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2DEG濃度峰分別出現(xiàn)在20.8nm、39.5nm、41.9nm，說明AIN柵絕緣層和Al2O3柵絕緣層的實際厚度分別為18.7nm和21.1nm，非常接近于設(shè)計值20nm。另外可以注意到，AlN柵絕緣層導(dǎo)致2DEG峰值濃度降低，而Al2O3柵絕緣層使2DEG峰值濃度提高。

2. C-V回滯特性

閾值電壓不穩(wěn)定是一直制約氮化物絕緣柵HEMT器件性能提升和實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，閾值電壓不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為I-V或C-V掃描過程的曲線回滯和頻散。本文研究了MIS柵和MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V曲線回滯特性，在100KHz和1MHz兩個測試頻率下展開研究。圖3給出了AIN/AIGaN/GaN MIS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V回滯曲線，測試電壓從-6V掃描至絕緣層勢壘層積累區(qū)域，然后再回掃至-6V，步長為0.1V。正反向掃描的MIS異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V曲線閾值電壓漂移均非常小，100KHz和1MHz下閾值電壓回滯分別為45mV和30mV，根據(jù)式（4-8）估算的AlN柵絕緣層與Ⅲ-N勢壘層界面態(tài)密度在1011cm-2量級，與2DEG面密度相比完全可以忽略，所以可以認(rèn)為采用KOH溶液清洗、原位低損傷等離子體處理、以及PEALD沉積AlN柵絕緣層已經(jīng)解決了絕緣柵HEMT器件的界面態(tài)問題。

圖4 （a）100KHz和（b）1MHz測試頻率下Al2O3/AlGaN/GaN MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V回滯曲線

同時對比研究了MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V回滯曲線，如圖4所示，測試中偏置電壓從-8.5V開始向正向掃描，達(dá)到正向積累后再回掃至-8.5V。與MIS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V曲線回滯表現(xiàn)出較大的測試頻率相關(guān)性，100KHz頻率下閾值電壓回滯約0.17V，而1MHz頻率下曲線回滯則高達(dá)0.89V，估算得到Al2O3柵絕緣層與Ⅲ-N勢壘層界面態(tài)密度在1011cm-2-1012cm-2量級。

圖5 考慮界面態(tài)的絕緣柵異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)示意圖：（a）負(fù)壓穩(wěn)態(tài)偏置下的界面態(tài)被電子占據(jù)情況：（b）電壓增大時界面態(tài)充電過程：（c）電壓減小時界面態(tài)放電過程

絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面態(tài)對閾值電壓的影響可結(jié)合如圖5所示的能帶示意圖來解釋。器件處于圖5（a）所示穩(wěn)態(tài)偏置時，費米能級以下的界面態(tài)全部被電子填充，而費米能級以上的界面態(tài)沒有被電子填充：當(dāng)柵偏置電壓增大時，界面態(tài)能級相對費米能級降低，低于費米能級的界面陷阱迅速被電子填充，即界面態(tài)充電過程，如圖5（b）所示；當(dāng)柵偏置電壓減小時，界面態(tài)能級相對費米能級提升，充電過程被界面態(tài)俘獲的電子發(fā)射進(jìn)入導(dǎo)帶，即放電過程，如圖5（c）所示。但是寬禁帶氮化物材料中電子從界面態(tài)發(fā)射所需的時間隨著能級變深可以從幾十μs量級增大到小時甚至幾天或一個月以上的更長時間，也即偏置電壓和能帶結(jié)構(gòu)隨著電壓偏置恢復(fù)至圖5（a）所示原始狀態(tài)時，被深能級界面態(tài)俘獲的電子來不及發(fā)射進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)致溝道載流子耗盡和電流/電容值降低，表現(xiàn)為回掃時曲線發(fā)生正向平移。與發(fā)射時間常數(shù)相比，界面態(tài)俘獲時間常數(shù)很短，可以忽略界面態(tài)的填充時間，所以C-V曲線回滯電壓的大小應(yīng)該取決于最大正向偏置以及回掃至取樣點（本文設(shè)為Vth）所需的時間。

對比MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)在兩個頻率下的測試曲線，1MHz頻率下最大正向偏置在8V，相比于100KHz頻率下界面態(tài)被填充的程度增大，會導(dǎo)致回掃曲線正向平移更大；而且在電壓掃描不長不變的情況下，1MHz測試頻率下曲線掃描速度更快，即可供界面態(tài)釋放電子的時間更短，也會導(dǎo)致曲線漂移量更大。所以，測試頻率從100KHz提高到1MHz時曲線回滯電壓從0.17V增大到了0.89V。分析1MHz測試頻率下電導(dǎo)曲線發(fā)現(xiàn)，電壓達(dá)到7V時電導(dǎo)在絕緣層/勢壘層界面積累后再次出現(xiàn)了上升的趨勢，I-V測試表明此時器件發(fā)生了正向柵擊穿，絕緣層中缺陷密度增大，絕緣層體陷阱一般都是深能級陷阱，俘獲大量電子，而且曲線回掃過程電子無法從深能級陷阱逃逸，最終導(dǎo)致了高達(dá)0.89V的曲線漂移。

圖6 1MHz測試頻率下MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的（a）C-V回滯曲線和（b）回滯電壓隨最大柵偏置的變化

為了證明上述分析，進(jìn)一步研究了最大正偏電壓Vmax對MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V回滯曲線的影響，如圖6所示。1MHz測試頻率下，MOS結(jié)構(gòu)的C-V曲線回滯量隨Vmax增大而變大，這是因為隨著Vmax增大，更多的溝道電子被界面態(tài)俘獲，導(dǎo)致更大的電壓漂移；然而對于100KHz測試頻率下的C-V回滯曲線，以及MIS異質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，曲線回滯量與Vmax相關(guān)性不大，這說明Al2O3絕緣層與氮化物勢壘層界面存在較多的深能級界面態(tài)，而AlN絕緣層與勢壘層界面陷阱密度特別低。圖6（b）所示隨著Vmax從-2V增大到4V，界面態(tài)充電效應(yīng)使C-V曲線漂移從0.06V增大到0.6V，然后趨于飽和，得出AlO3絕緣層與氮化物勢壘層界面深能級陷阱（1MHz C-V測試所能探測的能級范圍，僅為界面態(tài)總量的一部分）密度約為1.43×1012cm-2。當(dāng)Vmax大于7V時，絕緣層發(fā)生軟擊穿，擊穿激發(fā)的體陷阱參與充放電過程，曲線漂移量進(jìn)一步增大。

3. 變頻C-V測試

C-V回滯曲線是研究絕緣柵器件界面特性的非常有效的方法，但是如圖5（c）所描述的，當(dāng)器件從正向偏置回掃恢復(fù)至負(fù)壓偏置時，部分被填充的界面態(tài)釋放電子恢復(fù)至本征態(tài)，而另一部分深能級陷阱來不及釋放電子導(dǎo)致曲線正向漂移，如此利用此曲線回滯量估算的界面態(tài)密度沒有考慮到回掃過程已經(jīng)放電的部分，與實際值相比產(chǎn)生了低估誤差。本小節(jié)利用變頻C-V測試對絕緣柵器件界面態(tài)進(jìn)行了更精確的表征，測試頻率從10KHz變化至10MHz，MIS柵和MOS柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的變頻C-V測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。柵絕緣層沉積前的KOH溶液清洗和原位低損傷等離子體預(yù)處理使絕緣柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的閾值電壓沒有明顯的頻散現(xiàn)象。

圖8 Al2O3/AlGaN/GaN MOS異質(zhì)結(jié)構(gòu)的變頻C-V曲線

為了估算絕緣柵與勢壘層界面態(tài)密度，定義了C-V曲線的正向?qū)妷篤on，定義為C-V曲線的第二個上升區(qū)域線性擬合與積累區(qū)電容線的交點，如圖7和圖8所示 onset-voltage。在C-V曲線中，隨著電壓增大異質(zhì)結(jié)界面2DEG從三角形勢阱中溢出進(jìn)入勢壘層，耗盡區(qū)寬度逐漸減小，當(dāng)耗盡區(qū)邊界推進(jìn)到絕緣層與勢壘層界面時，出現(xiàn)載流子的第二次積累。如果絕緣層與勢壘層界面存在界面態(tài)或固定電荷，會對載流子產(chǎn)生補償效應(yīng)，延遲載流子在界面的積累，也即C-V曲線與理論值相比發(fā)生正漂；隨著測試頻率增大，更淺能級的界面態(tài)來不及響應(yīng)交流信號的變化，俘獲界面載流子使Von增大，所以利用兩個測試頻率下C-V曲線的Von變化量可以推導(dǎo)出一定時常數(shù)范圍內(nèi)的界面態(tài)密度。界面態(tài)發(fā)射時常數(shù)可以表示為1/2πf，其中f指測試頻率，當(dāng)測試頻率從f1增大到f2時，可表征的界面態(tài)時常數(shù)范圍為1/2πf2《τc/1/2πf1，界面態(tài)密度為，

表1給出了計算得到的MIS柵和MOS柵結(jié)構(gòu)的界面態(tài)密度，AlN絕緣層與勢壘層界面總界面態(tài)密度約為2.78×1012cm-2，而Al2O3絕緣層與勢壘層界面態(tài)更多，總界面態(tài)密度約為4.61×1012cm-2。

表1 變頻C-V測得的柵絕緣層與勢壘層界面態(tài)密度

審核編輯：郭婷