氮钝化调制的SiNx栅介质缺陷抑制技术在GaN器件中的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Defects Suppression of SiN x Gate Dielectric with Nitrogen-passivation Modulation for GaN device

本文针对氮化硅（SiNx）栅介质在GaN金属绝缘体半导体（MIS）高电子迁移率晶体管（HEMT）中存在的体陷阱问题，创新性地采用原位氮（N2）远程等离子体（RP）后处理技术替代传统氢钝化。研究表明，氮钝化可有效抑制Si悬挂键形成的深能级缺陷（Ec-E ~1.2 eV），显著降低体缺陷密度，提升阈值电压（VTH）稳定性，为高性能GaN功率放大器器件开发提供新思路。

　　

计算与模拟

密度泛函理论（DFT）首次被用于理论计算，分析硅悬挂键的局部电子结构及其对氮化硅（SiN_x）态密度（DOS）的影响。所有计算均采用平面波截断能量为700 eV的模守恒赝势。交换关联相互作用采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE-GGA）框架下的广义梯度近似处理。自洽计算...

实验

图3（a）和（b）分别展示了采用等离子体增强原子层沉积（PEALD）氮化硅（SiN_x）栅介质的GaN MIS-HEMT的制备流程和截面示意图。在外延片中，GaN缓冲层/沟道层、AlN层、Al_0.23Ga_0.77N势垒层和2 nm GaN盖层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在4英寸碳化硅（SiC）衬底上顺序生长。室温霍尔测量显示二维电子气（2DEG）迁移率为2450 cm²/V·s，薄层电阻（R_sh）为340 Ω/□。该...

结果与讨论

如图4所示，分析首先通过能量色散X射线光谱（EDX）线扫描技术展示了SiN_x/(Al)GaN结构上的元素分布，以揭示原位N₂远程等离子体（RP）处理的效果。EDX线扫描以0.35 nm的分辨率在扫描透射电子显微镜模式下进行，并基于同一批次晶圆上两种器件的AlGaN进行校准。在采用传统...

结论

总之，我们在GaN器件的SiN_x栅介质上实施了优化的原位N₂等离子体钝化。借助此后处理技术，实现了体缺陷密度的降低和阈值电压稳定性的显著增强。这一改进主要归因于高温氮钝化有效抑制了SiN_x/(Al)GaN结构内的悬挂键和其他固有缺陷态，这一点通过...