【期刊】JPhysD编辑优选：先栅工艺提升原位SiNx/AlGaN/GaN MIS-HEMT器件阈值电压稳定性
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本篇研究来自南京大学陆海教授课题组，本研究首次报道了基于原位MOCVD生长的高质量SiNx栅介质层与先栅工艺在金属-绝缘体-半导体（MIS）结构 AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中的应用潜力。在系统的正/负偏压温度不稳定性（PBTI/NBTI）测试中，先栅工艺所制备器件相比于后栅工艺器件在阈值电压稳定性方面表现出显著提升。
文章介绍
Gate-first AlGaN/GaN HEMT technology for enhanced threshold voltage stability based on MOCVD-grown in situ SiNx
Liang Cheng （程亮）, Weizong Xu（徐尉宗）, Danfeng Pan（潘丹峰）, Huinan Liang（梁辉南）, Ronghua Wang（王荣华）, Youhua Zhu（朱友华）, Fangfang Ren（任芳芳）, Dong Zhou （周东）, Jiandong Ye（叶建东）, Dunjun Chen （陈敦军）, Rong Zhang （张荣）, Youdou Zheng （郑有炓） and Hai Lu（陆海）
通讯作者：
徐尉宗 南京大学
陆海 南京大学
DOI：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/abb161
首先，基于MOCVD原位生长SiNx介质层的硅基AlGaN/GaN外延结构，本工作分别用先栅工艺和后栅工艺制备了如图1所示的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件。
图1. 基于MOCVD原位生长SiNx的AlGaN/GaN MIS-HEMT示意图
对两种器件的基本电学特性表征发现，先栅工艺制备的器件虽然栅金属/介质界面经历了后续的高温欧姆退火过程，但是其转移、输出、关态击穿等基本特性没有退化，这应该主要得益于致密且高质量的SiNx介质层生长。
图2. 基于MOCVD原位生长SiNx的AlGaN/GaN MIS-HEMT的 (a)转移特性，(b)阈值电压统计，(c)输出特性，(d)关态击穿特性。
如图3所示，在进一步的正/负偏压温度不稳定性测试（PBTI/NBTI）中可以发现，相较于后栅工艺制备的器件，先栅工艺可以明显的提升阈值电压稳定性。
图3. 基于MOCVD原位生长SiNx的AlGaN/GaN MIS-HEMT在偏压温度不稳定性（BTI）测试中的转移特性曲线
为了验证结论的可靠性，本工作继而开展了统计实验，即分别对于PBTI和NBTI测试，选取先栅工艺和后栅工艺器件各8个，对其阈值电压稳定性开展评估。实验结果如图4所示，即充分证实了基于原位SiNx栅介质层与先栅工艺对AlGaN/GaN MIS-HEMT器件阈值电压稳定性的提升作用。
图4. 基于MOCVD原位生长SiNx的AlGaN/GaN MIS-HEMT的 (a) PBTI特性和(b) NBTI特性。
初步分析先栅工艺器件阈值电压稳定性的提升的一个潜在原因是栅极镍金属在高温欧姆退火条件下催化了生长过程中不可避免地引入SiNx中的氢元素的析出过程，这有利于抑制SiNx介质中氢相关缺陷导致的稳定性退化效应。本研究有望为AlGaN/GaN MIS-HEMT的制备提供一种新的技术方案，以有效提高器件阈值电压的稳定性。
研究背景
氮化镓（GaN）材料由于其禁带宽度大，电子饱和漂移速度高，临界击穿场强高，其功率和射频器件被广泛应用，具有巨大的市场前景。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管（HEMT）是最主要的器件结构。在AlGaN/GaN HEMT的制备中，常在栅极金属和AlGaN之间插入一层栅介质，以增大栅压摆幅，降低栅极漏电。相比于非原位生长的栅介质，MOCVD原位生长的栅介质生长温度更高，介质质量更好。本研究就采用了这样的外延结构。相比于传统的先做源漏电极，后做栅电极的后栅工艺，先做栅极，后做源漏的先栅工艺可以较好地保护栅极界面，并且可以兼容自对准工艺，但后续的高温欧姆退火对栅介质质量提出了严苛的要求。本研究旨在基于原位生长的SiNx栅介质验证先栅工艺在AlGaN/GaN MIS-HEMT制备中的可行性，并揭示其潜在的优势。
作者介绍
程亮
南京大学
程亮，2016年6月本科毕业于华中科技大学光学与电子信息学院，同年进入南京大学电子科学与工程学院陆海教授课题组攻读博士学位，2019年9月至2020年9月在比利时荷语鲁汶大学（KU Leuven）和欧洲微电子研究中心（IMEC）联合培养，研究方向为氮化镓功率和射频器件。
期刊介绍
文章来源：“IOP出版社”公众号
Journal of Physics D: Applied Physics
2019年影响因子：3.169
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