mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2015-2-137-145mateltech-171Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАССИВИРУЮЩИХ СЛОЕВ НА ЕМКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕТЕРОСТРУКТУР AlGaN/GaNInvestigation of the Passivation Layers Influence on Capacitance Characteristics of AlGaN/GaN HeterostructuresЕнишерловаК. Л.EnisherlovaK. L.

доктор техн. наук, начальник лаборатории,

Окружной поезд, д. 27, Москва, 105187

Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory,

27 Okruzhnoi proezd, Moscow 105187

Enisherlova@pulsarnpp.ruГорячевВ. Г.GoryachevV. G.

старший научный сотрудник,

Окружной поезд, д. 27, Москва, 105187

Senior Researcher,

27 Okruzhnoi proezd, Moscow 105187

wlg2_17@rambler.ruРусакТ. Ф.RusakT. F.

старший научный сотрудник,

Окружной поезд, д. 27, Москва, 105187

Senior Researcher,

27 Okruzhnoi proezd, Moscow 105187

КапилинС. А.KapilinS. A.

техник,

Окружной поезд, д. 27, Москва, 105187

27 Okruzhnoi proezd, Moscow 105187

ОАО «НПП «Пульсар»РоссияJSC «S&PE «Pulsar»Russian Federation201504062016182137145Copyright © Енишерлова К.Л., Горячев В.Г., Русак Т.Ф., Капилин С.А., 20162016Енишерлова К.Л., Горячев В.Г., Русак Т.Ф., Капилин С.А.Enisherlova K.L., Goryachev V.G., Rusak T.F., Kapilin S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/171

Исследованы гетероструктуры AlGaN/ GaN, выращенные методом МOCVD на сапфировых и кремниевых подложках. Проведены измерения вольт−фарадных характеристик при планарном расположении ртутного зонда и второго электрода на поверхности образцов в диапазоне частот от 200 Гц до 1 МГц. Проанализирован вид типичных С—V−характеристик для гетероструктур с верхними нелегированными слоями i−AlGaN и i−GaN при толщине верхних слоев 1,5—2,5 нм. В ходе исследований при работе на низких частотах (f < 50÷200 кГц) для ряда структур с толщиной слоя i−GaN 5,0 нм при переходе из области обе- днения в область обогащения зафиксировано появление на С—V− кривых характерного пика. Высота этого пика увеличивалась с уменьшением частоты. Экспериментально показано, что частота, при которой фиксировали этот пик, может зависеть от плотности дислокаций в гетероструктурах. Дано возможное объяснение причин появления пиков с учетом модификации зонной диаграммы таких структур при наложении внешних электрических полей. Показано, что использование пассивирующего слоя Si3N4 приводит к возникновению дополнительного положительного заряда в барьерном слое.

AlGaN/GaN heterostructures grown by MOCVD method on sapphire and silicon substrates were test subjects. The capacity− voltage characteristic measurements have been run in 200Hz — 1MHz frequency range at planar disposition of mercury and second probe on the sample surface. The shape of typical C−V curves for the heterostructures with the upper undoped i−AlGaN and i−GaN layers at thickness 15—25 A have been analyzed. The appearance of a typical peak on the C−V curves at changing from depletion region to accumulation region has been registered for some structures with thickness of i−GaN layer 50A at low frequencies (f < 50—200 kHz). The height of this peak increased with reduction of frequency. It has been found experimentally that frequency at which the peak is registered can depend on the dislocation density in heterostructures. Possible explanation of the peak formation and band diagram modifications in these structures under an applied electric field have been presented. We show that using a Si3N4 passivation layer results in the formation of additional positive charge.

гетероструктуры AlGaN/GaNвольт-фарадные характеристикизонная диаграммачастотные измеренияпассивирующий слойдвухмерный электронный газдислокациярезерфордовское обратное рассеяниеAlGaN/GaN heterostructurescapacity−voltage characteristicfrequency measurementband diagram2D electron gasdislocationRutherford backscatteringReferencesGreen, B. M. The effect of surface passivation on the microwave characteristics of undoped AlGaN/GaN HEMTs / B. M. Green, K. K. Chu, E. M. Chumbes, J. A. Smart, J. R. Shealy, L. F. Eastman // IEEE Electron Device Lett. − 2000. −V. 21, N 6. − P. 268—270. DOI: 10.1109/55.843146Green, B. M. The effect of surface passivation on the microwave characteristics of undoped AlGaN/GaN HEMTs / B. M. Green, K. K. Chu, E. M. Chumbes, J. A. Smart, J. R. Shealy, L. F. Eastman // IEEE Electron Device Lett. − 2000. −V. 21, N 6. − P. 268—270. DOI: 10.1109/55.843146Liu, W. L. Capacitance−voltage spectrocopy of trapping states in GaN/AlGaN heterostructure field−effect transistors / W. L. Liu, Y. L. Chen, A. A. Balandin, K. L. Wang // J. Nanоelectronics and Optoelectronics. − 2006. − V. 1. − P. 258—263.Liu, W. L. Capacitance−voltage spectrocopy of trapping states in GaN/AlGaN heterostructure field−effect transistors / W. L. Liu, Y. L. Chen, A. A. Balandin, K. L. Wang // J. Nanоelectronics and Optoelectronics. − 2006. − V. 1. − P. 258—263.Arulkumaran, S. Studies on the influences of i−GaN, n−GaN, p−GaN and InGaN cap layers in AlGaN/GaN high−electron−mobility transistors/ S. Arulkumaran, T. Egawa, H. Ishikawa // Jap. J. Appl. Phys. − 2005. − V. 44. − P. 2953—2960.Arulkumaran, S. Studies on the influences of i−GaN, n−GaN, p−GaN and InGaN cap layers in AlGaN/GaN high−electron−mobility transistors/ S. Arulkumaran, T. Egawa, H. Ishikawa // Jap. J. Appl. Phys. − 2005. − V. 44. − P. 2953—2960.Vertiachikh, A. V. Effect of the surface and barrier defects on the AlGaN/GaN HEMT low−frequency noise performance / A. V. Vertiachikh, L. F. Eastman // IEEE Electron Dev. Lett. − 2003. − V. 24, N 9. − P. 535—537. DOI: 10.1109/LED.2003.816588Vertiachikh, A. V. Effect of the surface and barrier defects on the AlGaN/GaN HEMT low−frequency noise performance / A. V. Vertiachikh, L. F. Eastman // IEEE Electron Dev. Lett. − 2003. − V. 24, N 9. − P. 535—537. DOI: 10.1109/LED.2003.816588Derluyn, J. Improvement of AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures by in situ deposition of a Si3N4 surface layer/ J. Derluyn, S. Boeykens, K. Cheng, R. Vandersmissen, J. Das, W. Ruythooren, S. Degroote, M. R. Leys, M. Germain, G. Borghs // J. Appl. Phys. − 2005. − V. 98. − P. 054501−1−5Derluyn, J. Improvement of AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures by in situ deposition of a Si3N4 surface layer/ J. Derluyn, S. Boeykens, K. Cheng, R. Vandersmissen, J. Das, W. Ruythooren, S. Degroote, M. R. Leys, M. Germain, G. Borghs // J. Appl. Phys. − 2005. − V. 98. − P. 054501−1−5Kroemer, H. Measurement of isotype heterojunction barriers by C−V profiling/ H. Kroemer, Wu−Yi Chien, J. S. Harris (Jr), D. D. Edwall // Appl. Phys. Lett. − 1980. − V. 36, N 4. − P. 295—297. DOI: 10.1063/1.91467Kroemer, H. Measurement of isotype heterojunction barriers by C−V profiling/ H. Kroemer, Wu−Yi Chien, J. S. Harris (Jr), D. D. Edwall // Appl. Phys. Lett. − 1980. − V. 36, N 4. − P. 295—297. DOI: 10.1063/1.91467Enisherlova, K. L. AlGaN/GaN heterostructure study using Rutherford backscattering spectrometry / K. L. Enisherlova, V. S. Kulikauskas, V. V. Zatekin, T. F. Rusak, N. B. Gladysheva, I. I. Razguleyaev // J. Surf. Investigation, X−ray, Synchrotron and Neutron Techniq. − 2011. − V. 5, N 4. − P. 626—635.Enisherlova, K. L. AlGaN/GaN heterostructure study using Rutherford backscattering spectrometry / K. L. Enisherlova, V. S. Kulikauskas, V. V. Zatekin, T. F. Rusak, N. B. Gladysheva, I. I. Razguleyaev // J. Surf. Investigation, X−ray, Synchrotron and Neutron Techniq. − 2011. − V. 5, N 4. − P. 626—635.Брунков, П. Н. Емкостная спектроскопия электронных состояний в гетероструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками. Дисс. … докт. физ.−мат. наук / П. Н. Брунков. − СПб., 2007.Брунков, П. Н. Емкостная спектроскопия электронных состояний в гетероструктурах с квантовыми ямами и квантовыми точками. Дисс. … докт. физ.−мат. наук / П. Н. Брунков. − СПб., 2007.Ambacher, O. Two−dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N− and Ga− gace AlGaN/ GaN heterostructures/ O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murhy, W. J. Schaff, L. F. Eastman // J. Appl. Phys. − 1999. − V. 85, N 6. − P. 3222—3233.Ambacher, O. Two−dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N− and Ga− gace AlGaN/ GaN heterostructures/ O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murhy, W. J. Schaff, L. F. Eastman // J. Appl. Phys. − 1999. − V. 85, N 6. − P. 3222—3233.Ibbetson, J. P. Polarization effects, surface states, and the sourface of electrons in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistor/ J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, U. K. Mishra // Appl. Phys. Lett. − 2000. − V. 77, N 2. − P. 250—252Ibbetson, J. P. Polarization effects, surface states, and the sourface of electrons in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistor/ J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, U. K. Mishra // Appl. Phys. Lett. − 2000. − V. 77, N 2. − P. 250—252Yu, E. T. Spontaneous and piezoelectric polarization effects in III−V nitride heterostructures / E. T. Yu, X. Z. Dang, P. M. Asbeck, S. S. Lau // J. Vac. Sci. Technol. B. − 1999. − V. 17, N 4. − P.1742—1749.Yu, E. T. Spontaneous and piezoelectric polarization effects in III−V nitride heterostructures / E. T. Yu, X. Z. Dang, P. M. Asbeck, S. S. Lau // J. Vac. Sci. Technol. B. − 1999. − V. 17, N 4. − P.1742—1749.Dawei, Y. Capacitance and conduction dispersion in AlGaN/GaN heterostructure/ Yan Dawei, Wang Fuxue, Zhu Zhaomin, Cheng Jianmin, Gu Xiaofeng // J. Semiconductors. − 2013. − V. 34, N 1. − P. 014003−1−4.Dawei, Y. Capacitance and conduction dispersion in AlGaN/GaN heterostructure/ Yan Dawei, Wang Fuxue, Zhu Zhaomin, Cheng Jianmin, Gu Xiaofeng // J. Semiconductors. − 2013. − V. 34, N 1. − P. 014003−1−4.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.