【氮化镓】镁激活退火对p-GaN迁移率和阈值电压的影响

【Mg activation anneal of the p-GaN body in trench gate MOSFETs and its effect on channel mobility and threshold voltage stability】

文献总结:

  • 本研究探讨了在沟道栅MOSFETs中,镁(Mg)激活退火步骤对p型氮化镓(GaN)体的沟道迁移率和阈值电压(VT)稳定性的影响。研究发现,通过增加仅含氮气(N2)环境的退火时间和在含氧气(O2)环境中提高退火温度,可以有效增加沟道受主浓度。然而,增加受主浓度会导致迁移率下降,因为主要散射机制从库仑散射转变为表面粗糙度散射。此外,高温下工作时,器件的导通电流和最大跨导会下降,这与漂移层的体迁移率下降有关。研究还发现,不同的Mg激活退火条件对阈值电压稳定性有不同的影响。通过减少Mg的化学浓度,同时保持高受主浓度,可以实现低阈值电压迟滞和高通道迁移率。

研究背景:

  • 氮化镓(GaN)作为一种宽带隙半导体,被认为是未来功率电子领域的有前途材料。提高GaN器件的阻断电压是一个挑战,需要新型器件架构。垂直MOSFET因其常关操作和在最小化器件尺寸的同时允许使用大的过驱动电压而受到关注。在这种架构中,Mg作为p型掺杂剂,在MOCVD生长过程中被氢(H)钝化,需要通过高温退火来激活。

  • 图 1(a) - 半垂直晶体管的截面示意图。这张图展示了研究中使用的半垂直沟道栅MOSFETs的结构。图中可以清晰地看到不同区域的层次结构,包括n+ GaN源区、p-GaN体和通道区、n-GaN漂移层以及n+ GaN漏区。这种结构有助于理解电流如何在器件中流动以及如何通过栅极控制通道。
  • 图 1(b) 和 1(c) - 扫描电子显微镜(SEM)图像。图1(b)显示了栅极沟槽区域的SEM图像,而图1(c)显示了栅极侧壁的SEM图像。这两幅图像展示了栅极沟槽和侧壁的微观结构,这对于理解沟槽栅MOSFETs的制造质量和可能影响器件性能的微观缺陷至关重要。 

研究目的:

  • 本研究旨在分析Mg激活退火步骤以及由此产生的通道受主浓度对沟道迁移率和阈值电压稳定性的影响。研究不同的Mg化学浓度和退火参数(时间、温度和环境)对这些性能指标的影响。

研究方法:

  • 研究者们采用不同Mg化学浓度和退火参数(时间、温度和环境)的半垂直沟道栅MOSFETs,并使用技术计算机辅助设计(TCAD)数值模拟来估计受主浓度。通过实验数据和模拟结果的对比,提取了场效应迁移率(lFE)和系列电阻(Rseries)。

研究结果与机理解释:

  • 结果表明,增加N2环境下的退火时间和提高O2环境中的退火温度可以有效提高受主浓度,导致阈值电压(VT)上升。迁移率因受主浓度增加而降低,主要散射机制从库仑散射转变为表面粗糙度散射。高温下,导通电流和最大跨导的下降与漂移层的体迁移率下降有关,这是由于晶格散射导致的。此外,增加Mg化学浓度会降低通道迁移率和阈值电压稳定性,这可能是由于Mg化学浓度影响通道/介质界面特性。
图 2(a) 和 2(b) - 温度对转移特性和跨导特性的影响。图2(a)展示了在不同温度下,归一化电流密度与栅极电压(VGS)的关系。图2(b)展示了不同温度下跨导特性。这些数据有助于理解温度如何影响器件的导电性能和放大能力。
图 3(a) 和 3(b) - 不同Mg激活退火过程的转移特性。图3(a)和3(b)分别以半对数和线性尺度展示了实验数据和TCAD模型的对比。这些图表有助于评估不同退火条件对器件特性的影响,并验证模拟模型的准确性。
图 4(a)、4(b) 和 4(c) - 场效应迁移率和系列电阻随温度的变化。图4(a)和4(b)展示了不同Mg化学浓度下,场效应迁移率随温度的变化。图4(c)展示了系列电阻随温度的变化。这些图表揭示了温度对器件内部电阻和迁移率的影响,对于理解器件在高温下的性能至关重要。

研究的创新点和亮点:

  • 研究的创新点在于揭示了Mg激活退火步骤对GaN MOSFETs通道迁移率和阈值电压稳定性的具体影响,以及不同退火条件对这些性能指标的影响。亮点在于发现通过减少Mg化学浓度,即使在保持高受主浓度的情况下,也能达到低阈值电压迟滞和高通道迁移率,这对于器件性能的优化具有重要意义。
图 5(a)、5(b)、5(c) 和 5(d) - 阈值电压和迟滞现象。图5(a)和5(b)展示了在Mg化学浓度为1019cm^-3时,阈值电压和阈值电压迟滞现象。图5(c)和5(d)展示了不同Mg化学浓度下的阈值电压和迟滞现象。这些图表有助于理解Mg激活退火条件对器件阈值电压稳定性的影响。

研究的意义和应用前景:

  • 本研究对于优化GaN基MOSFETs的性能具有重要意义,特别是在提高器件的通道迁移率和阈值电压稳定性方面。这些发现有助于指导未来的器件设计和制造,推动GaN功率电子器件的发展,特别是在需要高效率和高温度稳定性的应用中,如电动汽车、可再生能源系统和高效电源转换器等。

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