《炬丰科技-半导体工艺》 用于氮化镓晶体管的一氧化硅栅极电介质
书籍：《炬丰半导体工艺技术研究》
文章： 涉及SiGeGATE晶体管的SiO栅极电介质研究
编号：JFKJ-21-1168
作者：华林科纳
探索了热蒸发一氧化硅(SiO)作为氮化镓（氮化镓）金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管(MOS-HEMTs)的栅极电介质。改进的接口将减少电荷捕获状态对性能的影响，等等。电介质通常是通过涉及离子轰击和反应性气体的界面破坏过程来沉积的，通常是在高温下，通过热蒸发可以避免这些过程。氮化镓晶体管正在开发用于射频放大的高频和高功率处理、电源和交流/直流、直流/交流转换。使氮化镓适合于这些应用的电子特性包括高击穿场强、高电子速度和热稳定性。从直流电切换到开关运行时，存在闸门泄漏和电流崩溃等障碍。基于高分辨率原子力显微镜技术（AFM），经过钨船热蒸发工艺得到纯度为99.99%的粉末材料，在常温下均匀沉积于AlGaN屏障表面。该设备采用了一个具有独特开口尺寸（2µm x 100µm）的设计。源漏与栅漏之间的间距分别为14µm和6µm。SiO栅电容层的存在导致厚度仅为30nm时的最大漏电流提升至452mA/mm水平；而中间区域（SiO层）的最大漏电流则维持在317mA/mm水平。电流性能的改善可能主要归因于AlGaN层经钝化处理及钝化作用导致的应力抑制机制。此外，在通道区域观察到载流子密度由8.1×10¹²/cm²增加至1.21×10¹³/cm²水平，并认为这一现象暂时归因于表界面陷阱密度显著下降的同时还可能存在由SiO层引起的压电效应增强现象。
载流子密度的增加进一步补偿了迁移率的轻微下降——30nmSIO为1010cm2/V-s，而MESnmHEMT的迁移率为1240cm2/V-s。与MES-HEMT-1.4x108和3.2x105相比，MOS-HEMTs的关电流减少了两个数量级以上，增加了开/关比。在脉冲操作(0.5s宽度，1s周期)中，30nmSiOMOS-HEMTs的电流崩溃率为12%，而MES-HEMT对性能的影响显著大于51%（图1）。坍塌是由于MOS-HEMT-9.3x1011/cm2-eV的界面电荷陷阱密度要低得多，而MES-HEMT结构的2.37x1012/cm2-eV要低得多。在236V时，非态击穿(-10V门电位，1mA/mm漏漏电流顺应阈值)发生在30nmSiO，MES-HEMT从136V增加了100V。30nmSiO的击穿强度（除穿电压除以栅极-漏极间距）为39V/µm，MES-HEMT为23V/µm。
击穿机制的发现源于冲击电离的作用，在高电场环境下能够导致注入通道的栅极泄漏现象的发生。研究发现，在采用SiO栅极介质的情况下有效抑制了栅极泄漏现象，在这种情况下使得击穿电压得到了显著提升。对于30nmSiO型MOS-HEMT器件而言，在不同偏置条件下表现出优异的小信号特性参数值：排水偏置10V时的最大跨导以及-2.6V设置下的栅电位表现更为突出；与之相比的是MES-HEMT可比数据的表现为2.7GHz和6.2GHz的最大振荡频率（图2 (b)为10nm、©为20nm、(d)为30nmSiO的(a)MES-HEMTs和MOS-HEMTs的小信号特性）。值得注意的是与MES-HEMT相比采用SiO材料制作的器件展现出更优的表现可能是由于门电容较低所带来的改进效果。（截止）x（门长度）产品的性能指标达到了13.2GHz-µm水平远高于其他同类产品方案。因此进一步扩展和优化基于SiOMOS架构的高电子速度性能的研究将有望带来更加广阔的电子设备应用前景。
