第!\"卷!第#期!$$#年#月
半!导!体!学!报
%&’()*)+,-.(/0,1*)2’%,(3-%4,.*
5678!\"!(68#
!+9:;!$$#
!+,P插入层与+,3\"P3\"P?GM8电流崩塌
效应的关系\"
李诚瞻O!刘!键!刘新宇!薛丽君!陈晓娟!和致经\"中国科学院微电子研究所!北京!P$$$$![
摘要\"比较有无/%研究/7(插入层/7UG(UG(&)24A在直流偏置应力条件下的电流崩塌程度!7(插入层对电流崩塌的影响8从测试结果看!无/%表明/7(插入层的/7UG(UG(&)24A有更显著的电流崩塌程度!7(插入层对电流崩塌效应有显著的抑制作用8模拟的/%7UG(UG(能带结构表明!/7(插入层能显著提高/7UG(导带底能级!增加异质结的带隙差8带隙差的增加有利于减小电子遂穿几率!加强沟道二维电子气的量子!从而抑制电流崩塌效应8
关键词\"/&电流崩塌效应&热电子7(插入层&&)24A
GG+CC#!N\"$
中图分类号\"4#$(M!NbYM!!!文献标识码\"/!!!文章编号\"$!NMWVP\"\"!$$#$#WP$NNW$V
T)
人(研究/%%发现这种双7UG(’:UG(UG(&1)4!异质结构能显著减小沟道电子溢出!并减小界面陷
()
阱!消除了器件电流崩塌效应&1G:等人[研究了-掺杂的/%这种平面掺杂结构使7UG(UG(&1)4!
构成窄而深的量能带异质结界面产生很大的突变!
($)
子阱!从而减弱电流崩塌&生长高S;HKG::等人P
%形成大能带带阶!/7组分的/7UG(UG(异质结!
强化沟道二维电子气的量子!抑制电流崩塌8
%%*F;:等人率先提出/7UG(/7(UG(结构!
()P
并通过3%和.1性能证明其优越性P80;;等人利用脉冲2说明/DC测试研究电流崩塌效应!7(插入层能有效地改善脉冲应力引起的电流崩塌效P!)应(本文研究/87(插入层对直流偏置应力引起的电流崩塌的影响!通过对两种不同材料结构/7W
%并比较其输UG(&)24A施加直流偏置应力!UG(
出电流退化程度!说明/7(插入层能显著改善/7W
%并利用能带结UG(UG(&)24A的电流崩塌效应!构进一步阐述/7(插入层抑制电流崩塌的机理8
J!引言
具有禁带UG(作为新一代宽禁带半导体材料!
宽度大\"’击穿电压高\"%’二维电MYV;5$MYM25?K$
PM!
$及饱和电子速度大\"子气浓度高\"$?K!YTc6P
\"
%$等特性!/%P$?KA7UG(UG(&)24A显示出高频’高压’大功率特性8目前!%/7UG(UG(&)24作为高频大功率器件受到广泛关注!UG(基器件的
()
%最高器件跨最大输出电流可以达到!YP/KKP!
()
导达到N%击穿电压在#!NK*KK!$$5以上!8*H%
(M)
衬底上!VU&^微波功率最高可达到PM#S8
虽然/%大功率方面7UG(UG(&)24在高频’取得了可喜的成就!但是电流崩塌效应仍然是/7W
%除了脉冲应力UG(UG(&)24面临的主要问题8
V)
引起电流崩塌效应(!直流偏置应力引起的电流崩
大量文献报道!对器件施加一定塌现象也值得关注8
时间的直流偏置应力!器件直流特性明显退化!出现
N!#)
电流崩塌现象(这种电流崩塌只有在施加很大8
的源漏电压的情况下才能发生源漏电压下!栅漏之间产生强电场!沟道热电子受激发遂穿到/7UG(表面!被栅漏之间的表面态俘获!使栅耗尽区横向扩展!形成虚栅!从而减小沟道!导致器件3)U浓度!
N!\")
漏电流退化!出现电流崩塌(8
针对直流应力引起的电流崩塌!很多研究者通过改善材料结构的方法抑制电流崩塌8*HKH:等
K!器件结构与工艺
本文采用/%和/%7UG(UG(\"/类结构$7UG(
%两种不同结构的材料!如图P/7(UG(\"a类结构$所示8材料由中国科学院半导体研究所采用金属有机物化学气相淀积技术\"制备!衬底为2,%53$
$蓝宝石8两种结构的材料生长条件和N$KK\"$$$P
批准号#$和中国科学院重点创新\"批准号#$资助项目!$$!%aMPP[$MhU%_!W*SWP$\"\"国家重点基础研究发展计划\"
#O通信作者8)KGH77H?F^FG:A6F98?6K!$$NW$[W!#收到!!$$NWPPW!N定稿!!
$$#中国电子学会\"!
半!导!体!学!报第!\"卷
生长方式完全相同8!/7UG(UG(结构自下而上分
别为MKUG(缓冲层\"PP$:K的高迁移率UG(&层\"N:K非掺杂/7UG(层\"P$:K掺*H的:型/7W
其中/N:K非掺杂/7UG(层\"7组分为UG(层\"
与/!!!!$g87UG(UG(结构相比\"/7UG(/7(UG(结构只在UG(与非掺杂/7UG(层之间多生长了
其他材料参数完全相同8室温下P:K/7(插入层\"
霍尔测试得出\"!!!/7UG(UG(和/7UG(/7(UG(
PMPM
的二维电子气浓度分别为P和P!YMcP$Y#cP$!!\"电子迁移率分别为P!#%?KP!$和P!N$?K5$A8
HW/7UG(!N:K
HW/7UG(!N:K:W/7UG(!P$:K:W/7UG(!P$:KHW/7UG(!N:KHW/7UG(!N
:K/7(!P:KUG(M&KUG(M&K*GBBFH=;*GBBFH=;#G
%#D
%图P!/7UG(!UG(&)24A的两种材料结构!#G%/7UG(
!UG(结构&#D%/7UG(!/7(!UG(结构
1HI
8P!*@=9?@9=;6L?6:J;:@H6:G7G:CK6CHLH;C/7UG(!UG(&)24A!#
G%/7UG(!UG(A@=9?@9=;&#D%/7UG(!/7(!UG(A@=9?@9=;
两种结构的材料采用相同的器件制备工艺’PM(\"其流程如下)使用’%<干法刻蚀实现器件隔离\"测试结果显示岛间电流只有P$d[/量级&
欧姆接触采用4H!/7!4H!/9\"在TN$lM$A条件下(!氛围中进
行快速热退火#.4/%\"实现约P$d#’$?K!
的低接触电阻率&栅金属采用(H!/9\"栅长$YTK栅宽!$K&布线金属采用H/9加厚源漏金&
\"4!\"属\"并引出栅&
*源*漏的测试点8
!结果与讨论
实验利用&力前器件的2DC特性如图!所示\"没有出现明显的电流崩塌现象8
施加直流偏置应力过程中\"固定源漏电压CCA
Z!N5\"栅源电压CIAZd
P$5\"应力时间P!$A8足够低的栅电压\"使!3)U沟道处于夹断状态\"避免自热效应的影响&同时施加足够大的源漏电压\"栅漏间出现强电场\"使沟道电子获得足够大的能量\"与晶格系统不处于热平衡状态\"成为热电子8
为了更清楚地比较器件直流特性退化程度\"并排除扫描过程中栅电压对直流特性的影响\"只选取
IAZ
$的单一曲线进行测试8施加应力前后器件2DP2C第#期李诚瞻等!\"7(插入层与/7UG(UG(&)24电流崩塌效应的关系!/
$!’*
半!导!体!学!报第!\"卷
象8在CIP$5!CC!N5的直流偏置条件下!AZdAZ应力时间*ZP\"!$A时!/7UG(UG(&)24A的电流退化程度达到P\"\"NY#g!而/7UG(/7(UG(
随着延长施加YTVg!&)24A电流退化程度只有P
应力时间!无/\"7(插入层的/7UG(UG(&)24A电流崩塌程度更加剧烈!而含有/7(插入层的/7W
\"结UG(UG(&)24A电流崩塌程度变化并不明显8果表明!\"/7(插入层能显著地抑制/7UG(UG(
通过自洽解薛定谔方程&)24A的电流崩塌效应8
和泊松方程!利用2有无/G@7DG模拟!7(插入层
\"结果表明//7UG(UG(的能带结构!7(插入层显
著增加异质结的带隙差(而增加异质结带隙差A?8
A?有利于减小沟道热电子遂穿/7UG(势垒层的(
几率!从而加强了沟道!有效地3)U的量子!抑制电流崩塌效应8参考文献
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