Процессы образования дефектов, формирующих глубоких уровни в структурах SiON/AlGaN/GaN

Исследовано влияние на электрические параметры структур SiON/AlGaN/GaN обработки разной продолжительности низкоэнергетической азотной плазмой. Обработки плазмой подвергалась поверхность AlGaN в рабочей камере установки плазмохимического осаждения перед запуском моносилана для формирования пленки SiОN. Изучено изменение транспортных свойств (проводимости и подвижности) слоя двумерного электронного газа и емкостных свойств структур. Экспериментально показано, что такая обработки приводит к изменению величины поляризационных зарядов как на границе «изолятор—AlGaN», так и на границе AlGaN/GaN. С помощью С—V-измерений в режиме гистерезиса установлено, что при управляющем напряжении (U > +4÷+5 В) происходит захват части канальных электронов на глубоких центрах границы SiON/AlGaN, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкий рост заряда, формируемого электронными граничными состояниями. Использование дополнительной обработки азотной плазмой переводит для нитридных структур работу из D-режима (V_th = –4 В) в Е-режим (V_th = +0,9 В).

С помощью Оже-измерений показано, что обработка плазмой приводит к изменению количества кислорода в слое SiON и в нанообластях барьерного слоя, причем с увеличением продолжительности воздействия плазмой наблюдается резкое уменьшение количества кислорода в этих слоях. Обнаружено также, что при обработке азотной плазмой происходит перераспределение Ga и Al на границе AlGaN/GaN т. е. в области слоя двумерного электронного газа. С помощью Оже-измерений вблизи границы SiON/AlGaN со стороны изолятора обнаружена локализация атомов азота, химически связанных с кремнием N(Si), с образованием на границе раздела пика, размер которого растет с увеличением продолжительности воздействия плазмой.

1. Morkoç H. Handbook of nitride semiconductors and devices: materials properties, physics and growth. In 3 vol. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.; 2009. Vol. 1. P. 111—812. http://dx.doi.org/10.1002/9783527628438

2. Lyons J.L., Wickramaratne D., Van de Walle C. A first-principles understanding of point defects and impurities in GaN. Journal of Applied Physics. 2021; 129(11): 111101. http://doi.org/10.1063/5.0041506

3. Asubar J., Yatabe Z., Gregusova D., Hashizume T. Controlling surface / interface states in GaN-based transistors: Surface model, insulated gate, and surface passivation. Journal of Applied Physics. 2021; 129(12): 121102. http://doi.org/10.1063/5.0039564

4. Chan Ch.-Y., Hsu Sh.S.H., Lin Y.-S., Chen L. Impacts of gate recess and passivation on AlGaN/GaN high electron mobility transistor. Japanese Journal of Applied Physics. 2007; 46(2): 478—484. http://doi.org/10.1143/JJAP.46.478

5. Zhang A., Zhang S.L., Tang Z., Cheng X., Wang Y., Chen K.J., Chan M. Modeling of capacitances for GaN HEMTs, including parasitic components. IEEE Transactions on Electron Devices. 2014; 61(3): 755—761. http://doi.org/10.1109/TED.2014.2298255

6. Енишерлова К.Л., Сейдман Л.А., Темпер Э.М., Концевой Ю.А. Влияние особенностей PECVD процессов осаждения SiNx на электрические параметры структур SiNx/AlGaN/GaN. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2021; 24(2): 107—118. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2021-2-107-118

7. Ganguly S., Verma J., Li G., Zimmermann T., Xing H., Jena D. Presence and origin of interface charges at atomic-layer deposited Al2O3/III-nitride heterojunctions. Applied Physics Letters. 2011; 99(24): 193504. https://doi.org/10.1063/1.3671324

8. Cai Y., Zhou Y., Lau K.M., Chen K.J. Control of threshold voltage of AlGaN/GaN HEMTs by fluoride-based plasma treatment: From depletion mode to enhancement mode. IEEE Transactions on Electron Devices. 2006; 53(9): 2207—2215. https://doi.org/0.1109/TED.2006.881054

9. Yamaji K., Noborio M., Suda J., Kimoto T. Improvement of channel mobility in inversion-type n-channel GaN metal-oxide-semiconductor field-effect transistor by high-temperature annealing. Japanese Journal of Applied Physics. 2008; 47(10): 7784—7787. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.7784

10. Enisherlova K.L., Seidman L.A., Bogolyubova S.Yu. Effect of treatment in nitrogen plasma on the electrical parameters of AlGaN/GaN heterostructures. Russian Microelectronics. 2022; 51(8): 686—695. https://doi.org/10.1134/S1063739722080133

11. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха. М.: Мир; 1987. 598 с.

12. Hofmann S. Auger- and X-ray photoelectron spectroscopy in materials science: a user-oriented guide. Springer Science & Business Media; 2013. Vol. 49. 528 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27381-0

13. Matsunaga F., Kakibayashi H., Mishima T., Kawase S. Influence of ion sputtering on Auger electron spectroscopy depth-profiling of GaAs/AlGaAs superstructure. Japanese Journal of Applied Physics. 1988; 27(1R): 149—150. https://doi.org/10.1143/JJAP.27.149

14. Mroczkowski S., Lichtman D. Calculated Auger sensitivity factors compared to experimental handbook values. Surface Science. 1983; 131(1): 159—166.

15. Монахова Ю.Б., Муштакова С.П. Математическая обработка спектров при анализе смесей методом независимых компонент: идентификация и количественный анализ. Журнал аналитической химии. 2012; 67(12): 1044—1051. https://elibrary.ru/pddpip

16. Enisherlova K.L., Temper E.M., Kolkovskij Yu.V., Medvedev B.K., Kapilin S.A. The ALD films of Al2O3, SiNx, and SiON as passivation coatings in AlGaN/GaN HEMT. Russian Microelectronics. 2020; 49(8): 603—611. https://doi.org/10.1134/S106373972008003X

17. Greco G., Giannazzo F., Frazzetto A., Raineri V., Roccaforte F. Near-surface processing on AlGaN/GaN. Nanoscale Research Letters. 2011; 6(1): 132. https://doi.org/10.1186/1556-276X-6-132

18. Liu X., Wang X., Zhang Y., Wei K., Zheng Y., Kang X., Jiang H., Li J., Wang W., Wu X., Wang X.P., Huang S. Insight into the near-conduction band states at the crystallized interface between GaN and SiNx grown by low-pressure chemical vapor deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 2018; 10(25): 21078—21103. https://doi.org/10.1021/acsami.8b04694.s001