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李诚瞻 刘 键 刘新宇 薛丽君 陈晓娟 和致经
（ 中国 科 学 院 微 电 子 研 究 所 ，北 京 １０２） ０ ０ ９
摘 要 ： 比较 有 无 Ａ Ｎ 插 入 层 Ａ１ Ｎ／ Ｎ ＨＥ １ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 在 直 流 偏 置 应 力 条 件 下 的 电流 崩塌 程 度 ， 究 Ａ１ 插 入 层 对 电 ｓ 研 Ｎ 流 崩 塌 的影 响 ． 测 试 结 果 看 ， Ａ１ 从 无 Ｎ插 入 层 的 Ａ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 有 更 显 著 的 电 流 崩 塌 程 度 ， 明 ＡＩ 插 入 层 Ｉ Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ 表 Ｎ
的源漏 电压 的情况 下才 能 发生 ． 源漏 电压下 ， 大 栅漏 之 间产生 强 电场 ， 沟道 热 电子受 激 发遂 穿到 ＡＩ Ｎ Ｇａ 表 面 ， 栅漏 之 间的表 面态 俘获 ， 栅耗尽 区横 向扩 被 使 展 ， 成 虚栅 ， 而减小 沟道 ２ Ｇ 浓 度 ， 致 器件 形 从 ＤＥ 导 漏 电流退 化 ， 出现 电流 崩塌 ［ ］ ５ ． Ｊ 针 对直 流 应 力 引起 的 电流 崩塌 ， 多 研 究 者通 很 过 改 善 材 料 结 构 的 方 法 抑 制 电 流 崩 塌 ． ｉ ｎ等 Ｓｍｉ
衬底 上 ，ＧＨｚ微波 功率 最 高可 达到 １ ６ ３． ４ ３ Ｗ＿ ］ 虽然 Ａｌ ａ Ｇａ ＭＴ在 高 频 、 功率 方 面 Ｇ Ｎ／ Ｎ ＨＥ 大 取得 了可喜 的 成 就 ， 是 电流 崩 塌 效 应 仍 然 是 Ａ１ 但 ． Ｇａ Ｇａ ＭＴ面临 的主 要 问题 ． 了脉 冲应 力 Ｎ／ Ｎ ＨＥ 除 引起 电流 崩 塌效 应 ［ ， 流偏 置 应 力 引起 的 电流崩 ４直 ］ 塌现 象也 值得 关 注 ． 量文 献报 道 ， 器件 施加 一定 大 对 时 间的 直流偏 置 应力 ， 器件 直流特 性 明显退 化 ， 出现 电流崩 塌现 象 ］ 这 种 电流 崩 塌 只 有 在 施 加 很 大 ．
１ ｍ／ ） 特 性 ，Ａｌ Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ显 示 出高 ０ｃ ｓ等 Ｇａ Ｇａ ＭＴ 频、 压、 功 率特 性． 高 大 目前 ， Ｇａ ／ Ｎ ＨＥ Ｎ Ｇａ ＭＴ 作为 高频 大功 率器 件受 到 广泛 关 注 ， Ｎ 基 器件 的 Ｇａ 最大 输 出 电 流 可 以达 到 ２ １ ｍｍ［ ， 高 器 件 跨 ． Ａ／ １最 ］ 导达 到 ５ ５ ／ ２ ｍＳ ｍｍ， 穿 电压 在 ６ ０ 以 上＿ ． ｉ 击 ０Ｖ ２ ＳＣ ］
对 电流 崩 塌 效 应 有 显 著 的 抑 制 作 用 ． 拟 的 Ａ１ Ｎ／ Ｎ 能 带 结 构 表 明 ， Ｉ 插 入 层 能 显 著 提 高 Ａ Ｇａ 导 带 底 能 模 Ｇａ Ｇａ ＡＮ Ｉ Ｎ
级 ， 加 异 质 结 的 带 隙 差 ． 隙 差 的 增 加 有 利 于减 小 电 子 遂 穿 几 率 ， 强 沟 道 二 维 电 子 气 的 量 子 限 制 ， 而 抑 制 电 增 带 加 从 流崩塌效应 ． 关键 词 ：Ａ Ｎ 插 入 层 ；ＨＥ ｌ ＭＴ ；电 流 崩 塌 效 应 ；热 电子 ｓ
人＿ 研 究 Ａｌ Ｎ／ ｎ Ｎ／ Ｎ ＨＦ Ｔ， ８ Ｇａ Ｉ Ｇａ Ｇａ Ｅ 发现 这种 双 异质 结构 能显 著 减小 沟道 电子 溢 出 ， 减 小 界 面 陷 并 阱 ， 除 了器 件 电流 崩 塌 效 应 ； ａ 消 Ｆ ｎ等 人 ＿ 研 究 了 艿 ９ 掺杂 的 Ａｌ Ｎ／ Ｎ ＨＦ Ｔ， 种 平 面 掺 杂 结 构 使 Ｇａ Ｇａ Ｅ 这 能带 异 质结 界面 产 生很 大 的 突变 ， 成 窄 而深 的量 构 子 阱 ， 而减 弱 电 流崩 塌 ； ｉ ｎ 从 Ｗｅｍａ ｎ等人 ｕ。 长 高 。 生 ＡＩ 组分 的 Ａｌ Ｎ／ Ｎ 异 质 结 ， 成 大 能 带 带 阶 ， Ｇａ Ｇａ 形 强化 沟 道二 维 电子气 的量 子 限制 ， 抑制 电流 崩 塌 ． Ｓｅ ｈ ｎ等 人 率 先 提 出 Ａｌ Ｎ／ Ｎ／ Ｎ 结 构 ， Ｇａ Ａｌ Ｇａ 并通 过 ＤＣ和 ＲＦ性 能 证 明其 优 越 性 ［ Ｌ ｅ等 人 １ ｅ ． 利用 脉 冲 ， 测 试研 究 电流 崩塌 效应 ， 明 ＡＩ － 说 Ｎ插 入层 能 有 效 地 改 善 脉 冲 应 力 引 起 的 电 流 崩 塌 效 应［ 本 文研 究 ＡＩ 插 入 层 对 直 流 偏 置 应 力 引起 １ ． Ｎ 的电流崩 塌 的影 响 ， 过 对 两 种 不 同材 料 结 构 Ａ１ 通 ． Ｇａ Ｇａ Ｎ／ Ｎ ＨＥＭＴ 施加 直 流偏置 应 力 ， 比较其输 ｓ 并 出电流 退化 程度 ， 明 ＡＩ 插 人 层 能 显 著 改 善 ． 说 Ｎ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 的 电流崩 塌效 应 ， 利用 能带 结 Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ 并 构进 一 步 阐述 ＡＩ 入 层抑 制 电流 崩塌 的机 理 ． Ｎ插
ＥＥＡＣＣ ： ２５ ７０
中 图 分 类 号 ：ＴＮ ２ ． ３５ ３
文 标 识 码 ：Ａ 献
文 章 编 号 ：０ ５ ．１ ７ ２０ ）６１ ５ ．４ ２ ３４ ７ （０ ６ ０ ．０ ５０
ｌ 引 言
Ｇａ 作为新 一 代宽禁 带 半 导体 材 料 ， 有禁 带 Ｎ 具 宽度 大 （ ． ｅ 、 穿 电压 高 （ ． ＭＶ／ ｍ） 二 维 电 ３ ４ Ｖ） 击 ３３ ｃ 、 子气 浓度 高 （ １ ”ｃ 。 及 饱 和 电子 速 度 大 （ ． ＞ ０ ｍ） ２ ８×
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第２ ７卷
第 ６期
半
导体学报 源自Ｖ ｏ１ ２ Ｎ ｏ． ．７ ６ Ｊ ｕｎｅ， ０６ ２０
２０ ０ ６年 ６月
ＣＨＩ ＮＥＳ ＯＵＲＮＡＬ ＥＭ Ｉ ＥＪ ＯＦ Ｓ ＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ
ＡＩ 插 入 层 与 Ａｌ ａ ／ Ｎ ＨＥ Ｎ Ｇ Ｎ Ｇａ ＭＴ电流 崩 塌 效应 的关 系 ＊
（ 中国 科 学 院 微 电 子 研 究 所 ，北 京 １０２） ０ ０ ９
摘 要 ： 比较 有 无 Ａ Ｎ 插 入 层 Ａ１ Ｎ／ Ｎ ＨＥ １ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 在 直 流 偏 置 应 力 条 件 下 的 电流 崩塌 程 度 ， 究 Ａ１ 插 入 层 对 电 ｓ 研 Ｎ 流 崩 塌 的影 响 ． 测 试 结 果 看 ， Ａ１ 从 无 Ｎ插 入 层 的 Ａ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 有 更 显 著 的 电 流 崩 塌 程 度 ， 明 ＡＩ 插 入 层 Ｉ Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ 表 Ｎ
的源漏 电压 的情况 下才 能 发生 ． 源漏 电压下 ， 大 栅漏 之 间产生 强 电场 ， 沟道 热 电子受 激 发遂 穿到 ＡＩ Ｎ Ｇａ 表 面 ， 栅漏 之 间的表 面态 俘获 ， 栅耗尽 区横 向扩 被 使 展 ， 成 虚栅 ， 而减小 沟道 ２ Ｇ 浓 度 ， 致 器件 形 从 ＤＥ 导 漏 电流退 化 ， 出现 电流 崩塌 ［ ］ ５ ． Ｊ 针 对直 流 应 力 引起 的 电流 崩塌 ， 多 研 究 者通 很 过 改 善 材 料 结 构 的 方 法 抑 制 电 流 崩 塌 ． ｉ ｎ等 Ｓｍｉ
衬底 上 ，ＧＨｚ微波 功率 最 高可 达到 １ ６ ３． ４ ３ Ｗ＿ ］ 虽然 Ａｌ ａ Ｇａ ＭＴ在 高 频 、 功率 方 面 Ｇ Ｎ／ Ｎ ＨＥ 大 取得 了可喜 的 成 就 ， 是 电流 崩 塌 效 应 仍 然 是 Ａ１ 但 ． Ｇａ Ｇａ ＭＴ面临 的主 要 问题 ． 了脉 冲应 力 Ｎ／ Ｎ ＨＥ 除 引起 电流 崩 塌效 应 ［ ， 流偏 置 应 力 引起 的 电流崩 ４直 ］ 塌现 象也 值得 关 注 ． 量文 献报 道 ， 器件 施加 一定 大 对 时 间的 直流偏 置 应力 ， 器件 直流特 性 明显退 化 ， 出现 电流崩 塌现 象 ］ 这 种 电流 崩 塌 只 有 在 施 加 很 大 ．
１ ｍ／ ） 特 性 ，Ａｌ Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ显 示 出高 ０ｃ ｓ等 Ｇａ Ｇａ ＭＴ 频、 压、 功 率特 性． 高 大 目前 ， Ｇａ ／ Ｎ ＨＥ Ｎ Ｇａ ＭＴ 作为 高频 大功 率器 件受 到 广泛 关 注 ， Ｎ 基 器件 的 Ｇａ 最大 输 出 电 流 可 以达 到 ２ １ ｍｍ［ ， 高 器 件 跨 ． Ａ／ １最 ］ 导达 到 ５ ５ ／ ２ ｍＳ ｍｍ， 穿 电压 在 ６ ０ 以 上＿ ． ｉ 击 ０Ｖ ２ ＳＣ ］
对 电流 崩 塌 效 应 有 显 著 的 抑 制 作 用 ． 拟 的 Ａ１ Ｎ／ Ｎ 能 带 结 构 表 明 ， Ｉ 插 入 层 能 显 著 提 高 Ａ Ｇａ 导 带 底 能 模 Ｇａ Ｇａ ＡＮ Ｉ Ｎ
级 ， 加 异 质 结 的 带 隙 差 ． 隙 差 的 增 加 有 利 于减 小 电 子 遂 穿 几 率 ， 强 沟 道 二 维 电 子 气 的 量 子 限 制 ， 而 抑 制 电 增 带 加 从 流崩塌效应 ． 关键 词 ：Ａ Ｎ 插 入 层 ；ＨＥ ｌ ＭＴ ；电 流 崩 塌 效 应 ；热 电子 ｓ
人＿ 研 究 Ａｌ Ｎ／ ｎ Ｎ／ Ｎ ＨＦ Ｔ， ８ Ｇａ Ｉ Ｇａ Ｇａ Ｅ 发现 这种 双 异质 结构 能显 著 减小 沟道 电子 溢 出 ， 减 小 界 面 陷 并 阱 ， 除 了器 件 电流 崩 塌 效 应 ； ａ 消 Ｆ ｎ等 人 ＿ 研 究 了 艿 ９ 掺杂 的 Ａｌ Ｎ／ Ｎ ＨＦ Ｔ， 种 平 面 掺 杂 结 构 使 Ｇａ Ｇａ Ｅ 这 能带 异 质结 界面 产 生很 大 的 突变 ， 成 窄 而深 的量 构 子 阱 ， 而减 弱 电 流崩 塌 ； ｉ ｎ 从 Ｗｅｍａ ｎ等人 ｕ。 长 高 。 生 ＡＩ 组分 的 Ａｌ Ｎ／ Ｎ 异 质 结 ， 成 大 能 带 带 阶 ， Ｇａ Ｇａ 形 强化 沟 道二 维 电子气 的量 子 限制 ， 抑制 电流 崩 塌 ． Ｓｅ ｈ ｎ等 人 率 先 提 出 Ａｌ Ｎ／ Ｎ／ Ｎ 结 构 ， Ｇａ Ａｌ Ｇａ 并通 过 ＤＣ和 ＲＦ性 能 证 明其 优 越 性 ［ Ｌ ｅ等 人 １ ｅ ． 利用 脉 冲 ， 测 试研 究 电流 崩塌 效应 ， 明 ＡＩ － 说 Ｎ插 入层 能 有 效 地 改 善 脉 冲 应 力 引 起 的 电 流 崩 塌 效 应［ 本 文研 究 ＡＩ 插 入 层 对 直 流 偏 置 应 力 引起 １ ． Ｎ 的电流崩 塌 的影 响 ， 过 对 两 种 不 同材 料 结 构 Ａ１ 通 ． Ｇａ Ｇａ Ｎ／ Ｎ ＨＥＭＴ 施加 直 流偏置 应 力 ， 比较其输 ｓ 并 出电流 退化 程度 ， 明 ＡＩ 插 人 层 能 显 著 改 善 ． 说 Ｎ Ｇａ Ｇａ ＭＴ 的 电流崩 塌效 应 ， 利用 能带 结 Ｎ／ Ｎ ＨＥ ｓ 并 构进 一 步 阐述 ＡＩ 入 层抑 制 电流 崩塌 的机 理 ． Ｎ插
ＥＥＡＣＣ ： ２５ ７０
中 图 分 类 号 ：ＴＮ ２ ． ３５ ３
文 标 识 码 ：Ａ 献
文 章 编 号 ：０ ５ ．１ ７ ２０ ）６１ ５ ．４ ２ ３４ ７ （０ ６ ０ ．０ ５０
ｌ 引 言
Ｇａ 作为新 一 代宽禁 带 半 导体 材 料 ， 有禁 带 Ｎ 具 宽度 大 （ ． ｅ 、 穿 电压 高 （ ． ＭＶ／ ｍ） 二 维 电 ３ ４ Ｖ） 击 ３３ ｃ 、 子气 浓度 高 （ １ ”ｃ 。 及 饱 和 电子 速 度 大 （ ． ＞ ０ ｍ） ２ ８×
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第２ ７卷
第 ６期
半
导体学报 源自Ｖ ｏ１ ２ Ｎ ｏ． ．７ ６ Ｊ ｕｎｅ， ０６ ２０
２０ ０ ６年 ６月
ＣＨＩ ＮＥＳ ＯＵＲＮＡＬ ＥＭ Ｉ ＥＪ ＯＦ Ｓ ＣＯＮＤＵＣＴＯＲＳ
ＡＩ 插 入 层 与 Ａｌ ａ ／ Ｎ ＨＥ Ｎ Ｇ Ｎ Ｇａ ＭＴ电流 崩 塌 效应 的关 系 ＊