Пленки ALD Al2O3, SiNx и SiON в качестве пассивирующих покрытий в AlGaN/GaN HEМТ

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, SiN_х (Si₃N₄), SiON, ALD AlN.
Исследовано влияние пассивирующих покрытий ALD Al₂O₃, SiN_x 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 SiN_x 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.

гетероструктура AlGaN/GaN, пассивирующее покрытие, фиксированный заряд, зонная диаграмма, спонтанная и пьезополяризация, донорно-подобные центры, прыжковая проводимость, поверхностные состояния

1. Chevtchenko 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: 10.1063/1.2740324

2. Mizue 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.50.021001

3. Matys 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: 10.1063/1.4986482

4. Geng 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/electronics7120416

5. Matys 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: 10.1063/1.4971409

6. Shengyin 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.2009.08.006

7. Зубков 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/6276

8. Miczek 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: 10.1063/1.2924334

9. Arulkumaran 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: 10.1116/1.1556398

10. Hashizume 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.2004.05.091

11. Dinara 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: 10.1063/1.4919098

12. Sameer 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/1721.1/111325

13. Mosca 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.2004.09.006

14. Hori 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.49.080201

15. Hashizume 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: 10.1063/1.1303722

16. Eller 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: 10.1116/1.4807904

17. Dusza 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.

18. 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.

19. Monroe D. Hopping exponential band tails // Phys. Rev. Lett. 1985. V. 54, Iss. 2. P. 146—149. DOI: 10.1103/PhysRevLett.54.146

20. Бочкарева 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.2017.09.44888.8528