mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2019-3-202-211mateltech-379Research ArticleЭпитаксиальные слои и многослойные композицииEPITAXIAL LAYERS AND MULTILAYERED COMPOSITIONSПленки ALD Al2O3, SiNx и SiON в качестве пассивирующих покрытий в AlGaN/GaN HEМТALD Al2O3, SiNx, and SiON films as passivating coatings in AlGaN/GaN HEMTЕнишерловаК. Л.EnisherlovaK. L.

Енишерлова Кира Львовна — доктор техн. наук, начальник лаборатории

enisherlova@pulsarnpp.ruТемперЭ. М.TemperE. M.

Темпер Элла Моисеевна — старший научный сотрудник

Ella M. Temper: Senior Researcher

 

КолковскийЮ. В.KolkovskyYu. V.

Колковский Юрий Владимирович — доктор техн. наук, заместитель генерального директора

Yuri V. Kolkovsky: Dr. Sci. (Eng.), Deputy General Director

 

МедведевБ. К.MedvedevB. K.

Медведев Борис Константинович — старший научный сотрудник

Boris K. Medvedev: Senior Researcher

 

КапилинC. А.KapilinS. A.

Капилин Семен Андреевич — инженер

Semen A. Kapilin: Engineer

 

АО «НПП «Пульсар», Окружной проезд, д. 27, Москва, 105187, РоссияРоссияJSC “S&PE «Pulsar”, 27 Okruzhnoy proezd, Moscow 105187, RussiaRussian Federation201927042020223202211Copyright © Енишерлова К.Л., Темпер Э.М., Колковский Ю.В., Медведев Б.К., Капилин C.А., 20202020Енишерлова К.Л., Темпер Э.М., Колковский Ю.В., Медведев Б.К., Капилин C.А.Enisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovsky Y.V., Medvedev B.K., 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/379

В полевых транзисторах на основе широкозонных нитридных гетероструктур широко используются диэлектрические слои в качестве как одного из основных элементов в активных областях приборов, так и пассивирующих слоев. К диэлектрикам предъявляются жесткие требования по высокой диэлектрической проницаемости, большой ширине запрещенной зоны, сплошности покрытия. Кроме того, пленки должны выдерживать высокие электрические поля и иметь низкую плотность поверхностных состояний на границе диэлектрик/полупроводник. Для этих целей в качестве эффективных покрытий обычно используются низкотемпературные пленки, выращенные с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы, атомно-слоевого осаждения (ALD) и плазменно-стимулированного осаждения. Для гетероструктур AlGaN/GaN наиболее перспективными и чаще всего используемые являются пленки ALD Al2О3, SiNх (Si3N4), SiON, ALD AlN.Исследовано влияние пассивирующих покрытий ALD Al2O3, SiNx и SiON разной толщины на изменение заряда и плотности состояний гетероструктур AlGaN/GaN. Электрофизические параметры структур оценивались с помощью C—V-характеристик, измеренных на разных частотах, и I—V-характеристик. На основании рассмотренных зонных диаграмм структур при разном управляющем напряжении и оценки элементного состава пленок методом Оже-спектроскопии показано, что причиной образования большого положительного заряда при нанесении пленок ALD Al2O3 и SiNx является возникновение дополнительного пьезоэлектрического заряда в буферном слое AlGaN. Показано, что использование пленок SiON с концентрацией кислорода в них более 3 % не приводит к формированию дополнительного положительного заряда, но может вызывать флуктуации тока при измерении I—V-характеристик. Рассмотрен возможный механизм транспорта носителей в области пространственного заряда, приводящий к таким флуктуациям.

The effect of passivating ALD Al2O3, SiNx and SiON coatings of different thicknesses on the change in the charge and density of states of AlGaN/GaN heterostructures are studied. The electrophysical parameters of the structures were evaluated using C-V characteristics measured at different frequencies and I-V characteristics. Based on the considered zone diagrams of structures with different control voltages and the evaluation of the elemental composition of the films by Auger spectroscopy, it was shown that the cause of the formation of a large positive charge upon deposition of ALD Al2O3 and SiNx films is the appearance of an additional piezoelectric charge in the AlGaN buffer layer. It is shown that the use of SiON films with an oxygen concentration of more than 3% does not lead to the formation of an additional positive charge, but can cause current fluctuations when measuring I-V characteristics. A possible mechanism of carrier transport in the SCR region, leading to such fluctuations, is considered.

гетероструктура AlGaN/GaNпассивирующее покрытиефиксированный зарядзонная диаграммаспонтанная и пьезополяризациядонорно-подобные центрыпрыжковая проводимостьповерхностные состоянияAlGaN/GaN heterostructurepassivating coatingfixed chargeband diagramspontaneous and piezoelectric polarizationdonor-like centershopping conductivitysurface statesReferencesChevtchenko S. A., Reshchikov M. A., Fan Q., Ni X., Moon Y. T., Baski A. A., Morkoç H. Study of SiNх and SiO2 passivation of GaN surfaces // J. Appl. Phys. 2007. V. 101, N 11. P. 2740324. DOI: 10.1063/1.2740324Chevtchenko S. A., Reshchikov M. A., Fan Q., Ni X., Moon Y. T., Baski A. A., Morkoç H. Study of SiNх and SiO2 passivation of GaN surfaces. J. Appl. Phys., 2007, vol. 101, no. 11, pp. 2740324. DOI: 10.1063/1.2740324Mizue C., Hori Y., Miczek M., Hashizume T. Capacitance-voltage characteristics of Al2O3/AlGaN/GaN structures and state density distribution at Al2O3/AlGaN Interface // Jpn. J. Appl. Phys. 2011. V. 50, N 2R. P. 021001. DOI: 10.1143/JJAP.50.021001Mizue C., Hori Y., Miczek M., Hashizume T. Capacitance-voltage characteristics of Al2O3/AlGaN/GaN structures and state density distribution at Al2O3/AlGaN interface. Jpn. J. Appl. Phys., 2011, vol. 50, no. 2R, p. 021001. DOI: 10.1143/JJAP.50.021001Matys M., Stoklas R., Blaho M., Adamowicz B. Origin of positive fixed charge at insulator/AlGaN interfaces and its control by AlGaN composition // J. Appl. Phys. 2017. V. 110, N 24. P. 243505. DOI: 10.1063/1.4986482Matys M., Stoklas R., Blaho M., Adamowicz B. Origin of positive fixed charge at insulator/AlGaN interfaces and its control by AlGaN composition. J. Appl. Phys., 2017, vol. 110, no. 24, p. 243505. DOI: 10.1063/1.4986482Geng K., Chen D., Zhou Q., Wang H. AlGaN/GaN MIS-HEMT with PECVD SiNx, SiON, SiO2 as gate dielectric and passivation layer // Electronics. 2018. V. 7, N 12. p. 416. DOI: 10.3390/electronics7120416Geng K., Chen D., Zhou Q., Wang H. AlGaN/GaN MIS-HEMT with PECVD SiNx, SiON, SiO2 as gate dielectric and passivation layer. Electronics, 2018, vol. 7, no. 12, p. 416. DOI: 10.3390/electronics7120416Matys M., Adamowicz B., Domanowska A., Michalewicz A., Stoklas R., Akazawa M., Yatabe Z., Hashizume T. On the origin of interface states at oxide/III-nitride heterojunction interfaces // J. Appl. Phys. 2016. V. 120, Iss. 22. P. 225305. DOI: 10.1063/1.4971409Matys M., Adamowicz B., Domanowska A., Michalewicz A., Stoklas R., Akazawa M., Yatabe Z., Hashizume T. On the origin of interface states at oxide/III-nitride heterojunction interfaces. J. Appl. Phys., 2016, vol. 120, no. 22, p. 225305. DOI: 10.1063/1.4971409Shengyin Xie, Jiayun Yin, Sen Zhang, Bo Liu, Wei Zhou, Zhihong Feng. Trap behaviors in AlGaN–GaN heterostructures by C–V characterization // Solid-State Electronics. 2009. V. 53, Iss. 11. P. 1183—1185. DOI: 10.1016/j.sse.2009.08.006Shengyin Xie, Jiayun Yin, Sen Zhang, Bo Liu, Wei Zhou, Zhihong Feng. Trap behaviors in AlGaN–GaN heterostructures by C–V characterization. Solid-State Electronics, 2009, vol. 53, no. 11, p. 1183—1185. DOI: 10.1016/j.sse.2009.08.006Зубков В. И. Диагностика гетероструктур с квантовыми ямами InxGa1-xAs/GaAs методом вольт-фарадных характеристик: разрывы зон, уровни квантования, волновые функции // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41, № 3. С. 331—337. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/6276Zubkov V. I. Characterization of InxGa1-xAs/GaAs quantum-well heterostructures by C–V measurements: band offsets, quantum-confinement levels, and wave functions. Semiconductors, 2007, vol. 41, no. 3, pp. 320—326. DOI: 10.1134/S1063782607030153Miczek M., Mizue C., Hashizume T., Adamowicz B. Effects of interface states and temperature on the C-V behavior of metal/insulator/AlGaN/GaN heterostructure capacitors // J. Appl. Phys. 2008. V. 103, Iss. 10. P. 104510. DOI: 10.1063/1.2924334Miczek M., Mizue C., Hashizume T., Adamowicz B. Effects of interface states and temperature on the C–V behavior of metal/insulator/AlGaN/GaN heterostructure capacitors. J. Appl. Phys., 2008, vol. 103, no. 10, p. 104510. DOI: 10.1063/1.2924334Arulkumaran S., Egawa T., Ishikawa H., Jimbo T. Characterization of different –Al-content AlxGa1-xN/GaN heterostructures and high-electron-mobility transistors on sapphire // J. Vacuum Science & Techology B. 2003. V. 21, Iss. 2. P. 888—894. DOI: 10.1116/1.1556398Arulkumaran S., Egawa T., Ishikawa H., Jimbo T. Characterization of different –Al-content AlxGa1-xN/GaN heterostructures and high-electron-mobility transistors on sapphire. J. Vacuum Science & Techology B, 2003, vol. 21, no. 2, p. 888—894. DOI: 10.1116/1.1556398Hashizume T., Hasegawa H. Effects of nitrogen deficiency on electronic properties of AlGaN surfaces subjected to thermal and plasma processes // Applied Surface Science. 2004. V. 234, Iss. 1–4. P. 387—394. DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.05.091Hashizume T., Hasegawa H. Effects of nitrogen deficiency on electronic properties of AlGaN surfaces subjected to thermal and plasma processes. Applied Surface Science, 2004, vol. 234, no. 1–4, pp. 387—394. DOI: 10.1016/j.apsusc.2004.05.091Dinara S. M., Jana S. Kr., Ghosh S., Mukhopadhyay P., Kumar R., Chakraborty A., Bhattacharya S., Biswas D. Enhancement of two dimensional electron gas concentrations due to Si3N4 passivation on Al0.3Ga0.7N/GaN heterostructure: strain and interface capacitance analysis // AIP Advances. 2015. V. 5, Iss. 4. P. 047136. DOI: 10.1063/1.4919098Dinara S. M., Jana S. Kr., Ghosh S., Mukhopadhyay P., Kumar R., Chakraborty A., Bhattacharya S., Biswas D. Enhancement of two dimensional electron gas concentrations due to Si3N4 passivation on Al0.3Ga0.7N/GaN heterostructure: strain and interface capacitance analysis. AIP Advances, 2015, vol. 5, no. 4, p. 047136. DOI: 10.1063/1.4919098Sameer J. J. Surface and mechanical stress effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors: Thesis: Ph. D. Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2017. 161 p. URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/111325Sameer J. J. Surface and mechanical stress effects in AlGaN/GaN high electron mobility transistors: Thesis: Ph. D. Massachusetts Institute of Technology, Department of Materials Science and Engineering, 2017, 161 p. URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/111325Mosca R., Gombia E., Passaseo A., Tasco V., Peroni M., Romanini P. DLTS characterization of silicon nitride passivated AlGaN/GaN heterostructures // Superlattices and Microstructures. 2004. V. 36, Iss. 4–6. P. 425—433. DOI: 10.1016/j.spmi.2004.09.006Mosca R., Gombia E., Passaseo A., Tasco V., Peroni M., Romanini P. DLTS characterization of silicon nitride passivated AlGaN/GaN heterostructures. Superlattices and Microstructures, 2004, vol. 36, no. 4–6, pp. 425—433. DOI: 10.1016/j.spmi.2004.09.006Hori Y., Mizue C., Hashizume T. Process conditions for improvement of electrical properties of Al2O3/n-GaN structures prepared by atomic layer deposition // Jpn. J. Appl. Phys. 2010. V. 49, N 8R. P. 080201. DOI: 10.1143/JJAP.49.080201Hori Y., Mizue C., Hashizume T. Process conditions for improvement of electrical properties of Al2O3/n-GaN structures prepared by atomic layer deposition. Jpn. J. Appl. Phys., 2010, vol. 49, no. 8R, p. 080201. DOI: 10.1143/JJAP.49.080201Hashizume T., Alekseev E., Pavlidis D., Boutros K. S., Redwing J. Capacitance-voltage characterization of AlN/GaN metal-insulator-semiconductor structures grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition // J. Appl. Phys. 2000. V. 88, Iss. 4. P. 1983—1986. DOI: 10.1063/1.1303722Hashizume T., Alekseev E., Pavlidis D., Boutros K. S., Redwing J. Capacitance-voltage characterization of AlN/GaN metal-insulator-semiconductor structures grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition. J. Appl. Phys., 2000, vol. 88, no. 4, p. 1983—1986. DOI: 10.1063/1.1303722Eller B. S., Yang J., Nemanich R. J. Electronic surface and dielectric interface states on GaN and AlGaN // J. Vacuum Science & Technology A. 2013. V. 31, Iss. 5. P. 050807. DOI: 10.1116/1.4807904Eller B. S., Yang J., Nemanich R. J. Electronic surface and dielectric interface states on GaN and AlGaN. J. Vacuum Science & Technology A, 2013, vol. 31, no. 5, p. 050807. DOI: 10.1116/1.4807904Dusza J., Steen M. Microhardness load/size effect in individual grains of a gas pressure sintered silicon nitride // J. Amer. Ceramic Society. 1998. V. 81, N 11. P. 3022—3024.Dusza J., Steen M. Microhardness load/size effect in individual grains of a gas pressure sintered silicon nitride. J. Amer. Ceramic Society, 1998, vol. 81, no. 11, pp. 3022—3024.Яковлева Н. И., Никонов А. В., Болтарь К. О., Седнев М. В. Анализ механизмов темновых токов матриц ультрафиолетовых фотодиодов на основе гетероструктур AlGaN // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 1. С. 44—55.Iakovleva N. I., Nikonov A. V., Boltar K. O., Sednev M. V. Analysis of current-voltage characteristics in UV AlGaN heterostructure FPAS. Uspekhi Prikladnoi Fiziki, 2018, vol. 6, no. 1, pp. 44—55. (In Russ.)Monroe D. Hopping exponential band tails // Phys. Rev. Lett. 1985. V. 54, Iss. 2. P. 146—149. DOI: 10.1103/PhysRevLett.54.146Monroe D. Hopping exponential band tails. Phys. Rev. Lett., 1985, vol. 54, no. 2, pp. 146—149. DOI: 10.1103/PhysRevLett.54.146Бочкарева Н. И., Вороненков В. В., Горбунов Р. И., Вирко М. В., Коготков В. С., Леонидов А. А., Воронцов-Велья­ми­нов П. Н., Шеремет И. А., Шретер Ю. Г. Прыжковая проводимость и диэлектрическая релаксация в барьерах Шоттки на основе GaN // Физика и техника полупроводников. 2017. T. 51, № 9. С. 1235—1242. DOI: 10.21883/FTP.2017.09.44888.8528Bochkareva N. I., Voronenkov V. V., Gorbunov R. I., Shreter Y. G., Virko M. V., Kogotkov V. S., Leonidov A. A., Vorontsov-Velyaminov P. N., Sheremet I. A. Hopping conductivity and dielectric relaxation in Schottky barriers on GaN. Semiconductors. 2017. vol. 51, no. 9, pp. 1186—1193. DOI: 10.1134/S1063782617090068

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