在n型氮化镓上使用氧化镓电介质的金属氧化物半导体器件

最近，在III族氮化物化合物半导体的外延生长方面取得了令人印象深刻的进展。这些半导体已经广泛应用于电子器件和光电子器件。III族氮化物化合物半导体具有优异的性能，包括宽带隙、高临界击穿场和高电子饱和速度，这在过去十年中促进了III族氮化物基晶体管的快速发展。然而，这些器件的功率处理能力仍然受到通过肖特基栅极的漏电流的影响。此外，肖特基接触与第三族氮化物半导体的长期热稳定性在高温下尚未实现。为了降低栅极漏电流，提高高击穿电压，并在高温下更可靠地工作，金属-氧化物-半导体(MOS)或金属-绝缘体-半导体结构正在被广泛研究。

实验

在以前的报告中，在金属氧化物半导体结构中已经使用了许多栅极电介质，例如氮化铝、二氧化硅、氮化硅、五氧化二钽、七氧化二镓和八氧化二镓。然而，生长的外部电介质层被来自原始半导体的表面污染物污染。此外，相关的化学计量结构受生长条件的影响很大。如果氧化镓可以直接生长在氮化镓层上，就可以避免氧化镓/氮化镓结构中的杂质。在本研究中，利用氦-镉激光的光电化学方法在n型氮化镓上生长氧化镓，并展示了所得金属氧化物半导体变容二极管器件的性能。

金属氧化物半导体变容二极管器件的示意性结构

如图1所示。为了从n型氮化镓表面去除天然氧化物，样品蚀刻10分钟。使用电子束蒸发器蒸发欧姆钛/铝/铂/金(25/100/50/200纳米)金属。在剥离过程之后，同心欧姆接触环(内半径=150米，外半径=400米)，然后通过在700℃的N2炉中快速热退火1分钟进行热退火。

使用金属有机化学气相沉积系统在c面蓝宝石衬底上生长用于金属氧化物半导体器件的外延层。三甲基镓和am- monia分别用作镓源和氮源。硅烷被用作n型掺杂剂的硅源。在蓝宝石衬底上于520℃生长厚度为800纳米的未掺杂氮化镓缓冲层，然后在1050℃生长厚度为600纳米的掺硅氮化镓层。使用室温下进行的霍尔测量，发现电子浓度和迁移率分别为3.22×1017厘米-3和350平方厘米/伏·秒。

金属氧化物半导体变容二极管器件的示意性结构

如图1所示。为了从n型氮化镓表面去除天然氧化物，样品被aquaregia蚀刻10分钟。使用电子束蒸发器蒸发欧姆钛/铝/铂/金(25/100/50/200纳米)金属。在剥离过程之后，同心欧姆接触环(内半径=150米，外半径=400米)，然后通过在700℃的N2炉中快速热退火1分钟进行热退火。为了在其上生长氧化镓层通过用氦-镉激光照射样品，样品在酸碱度为3.5的H3PO4化学溶液中被氧化。通过能量色散光谱仪测量，氧化镓被鉴定为Ga2O3。

图2显示了由HP4145B半导体参数分析仪测量的金属氧化物半导体器件的电流-电压特性。可以看出正向和反向击穿电压分别为28 V(对应击穿场强=2.80 MV/cm)和57 V(对应击穿场强=5.70 MV/cm)。

击穿电压被定义为以下情况下的电压n型氮化镓。将这些参数代入等式。我们发现n型GaN的平带电容为17.2 pF。根据图3所示的C–V特性，相关的平带电压VFB为0.5v。MOS器件强反转的阈值起始电压VTH为11会出现漏电流。当施加正向偏压时，n型氮化镓中的许多电子聚集在界面上Ga2O3层和n型氮化镓之间。然而，当对金属氧化物半导体器件施加反向偏置时，很少的空穴载流子会聚集在Ga2O3 /n型氮化镓界面。因此，反向击穿电压大于正向击穿电压。这种载流子累积现象也可以解释反向漏电流小于正向漏电流的事实，如图2所示。

 结论

总之，我们报告了通过应用氦-镉激光，使用光电化学方法在n型氮化镓上直接生长Ga2O3层。用氧化的n型氮化镓样品制作金属氧化物半导体器件。生长的Ga2O3层的正向和反向击穿电场分别为2.80毫伏/厘米和5.70毫伏/厘米。Ga2O3 /n型氮化镓的界面态密度为

2.53×1011 cm—2 eV—1。在-20伏下工作时，反向漏电流极低，为200帕。我们因此请注意，使用氦-镉激光照射的光电化学氧化法生长的Ga2O3层适合于反型层的形成。这种金属氧化物半导体结构有望成为氮化镓金属氧化物半导体场效应晶体管的应用候选。