Fabrication and DC Characterization of BST-Gated AlGaN/GaN MOS-HEMT Structures in Two- and Three-Terminal Configurations

技术摘要：BST 栅极 AlGaN/GaN MOS-HEMT 结构的制备与直流特性表征

问题陈述
虽然基于氮化镓（GaN）的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）因其宽禁带和高电子迁移率，在功率电子和高频应用领域具有卓越性能，但传统的肖特基栅极结构存在显著局限性。这些局限包括显著的栅极漏电流、阈值电压不稳定性、表面态陷阱以及电流坍缩，尤其是在高电场条件下。为了解决这些问题，采用使用介电层的金属-氧化物-半导体（MOS）结构被用于增强静电控制并降低漏电。尽管目前已有研究探索了 SiNx、Al₂O₃ 和 HfO₂ 等高 k 介质，但关于使用钛酸钡锶（BST）作为 AlGaN/GaN MOS-HEMT 栅极介质的研究文献仍然匮乏。现有文献主要侧重于射频性能或击穿电压，关于 BST 栅极器件的直流电学特性和界面特性的实验数据非常有限。此外，此前尚无研究通过系统地比较两端式和三端式 BST 栅极 MOS-HEMT 的电学特性，来评估 BST 的形成对传输现象和器件操作的影响。

实验方法
本研究使用了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的商用 AlGaN/GaN HEMT 外延片。制备工艺包含两种不同的器件配置：

1. 两端式器件： 用于分析 AlGaN/GaN 结构在沉积 BST 前后的电学特性。利用光刻技术和热蒸发法对欧姆接触（Al/Cr/Au）进行图形化，随后在 870°C 下进行快速热退火（RTA）。随后使用射频磁控溅射技术在栅极区域沉积 BST 薄膜。
2. 三端式 MOS-HEMT： 基于两端式结构构建，这些器件通过第二次光刻步骤来定义栅极区域。在 BST 层上沉积 Ni/Au（10 nm/50 nm）栅极堆叠以形成 MOS 栅极，而 Al/Cr/Au 堆叠则作为源极和漏极接触。沟道尺寸约为 100 μm 长、25 μm 宽。

电学表征是在室温下使用 Keithley 2634B 双通道源表进行。两端式器件通过 ±1 V 至 ±12 V 的对称 I-V 扫描进行测试。三端式器件通过输出曲线（Ids–Vds）和转移特性曲线（Ids–Vgs）进行表征，以提取关键参数，如阈值电压、跨导和开/关电流比。

主要结果

• 两端式表征： 两端式器件的 I-V 特性表明，在沉积 BST 后，器件从近乎线性的欧姆行为转变为显著的高电阻状态。在任何给定的电压扫描（例如 ±12 V）下，电流减少了约一个数量级（例如，从 9.85 mA 降至 0.517 mA），证实了 BST 层有效的阻挡和绝缘特性。
• 三端式表征： 制备的 BST 栅极 MOS-HEMT 对漏极电流表现出有效的栅极控制。
  • 阈值电压 ($V_{th}$): 提取值约为 0.028 V，表明器件运行接近常开模式。
  • 电流水平： 在 $V_{gs} = 0.7$ V 时，开态电流 ($I_{ON}$) 测量为 5.76 × 10⁻⁸ A；而在 $V_{gs} = -4$ V 且 $V_{ds} = 1$ V 时，关态电流 ($I_{OFF}$) 为 3.475 × 10⁻⁹ A。这产生了约 16 的开/关电流比。
  • 跨导： 在 $V_{ds} = 20$ V 时，最大跨导 ($g_m$) 记录为 4.03 × 10⁻⁶ S。
  • 输出特性： 在固定的 $V_{ds} = 20$ V 时，随着 $V_{gs}$ 从 -4 V 变化到 +4 V，漏极电流 ($I_{ds}$) 从 $4.715 \times 10^{-4}$ A 逐渐增加到 $9.347 \times 10^{-4}$ A。

意义与主张
本文主张，成功制备并表征 BST 栅极 AlGaN/GaN MOS-HEMT 的直流特性，为 BST 作为栅极绝缘体的可行性提供了深入见解。研究表明，引入高 k BST 层有效地降低了漏电流，并实现了对二维电子气（2DEG）沟道的栅极调制。通过比较两端式和三端式配置，本工作填补了文献中关于 BST 基器件直流性能的空白，特别是解决了关于这些特定器件拓扑结构的界面传输现象和比较电学特性的数据缺乏问题。结果验证了 BST/AlGaN 异质结构下 2DEG 的功能性形成，并表明 BST 是增强 GaN 基器件直流电学特性的一个有前景的候选材料。