摘要
    本研究展示了具有非故意掺杂（UID）u-GaN缓冲层和15nm原位SiNx的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），其基板为硅绝缘体（SOI），用于射频（RF）应用。为了研究SOI基板对器件特性的影响，分别在SOI基板和高电阻硅（HR-Si）基板上制造了具有相同结构的HEMT器件，同时还制造了没有原位SiNx的传统器件在高电阻硅（HR-Si）基板上的对比，以明确原位SiNx的影响。实验结果表明，SOI基板器件在直流、电压击穿和射频特性上优于HR-Si基板上的器件。这些优势表明，SOI基板器件适用于高速和高功率集成电路应用。

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Taoyuan, Taiwan, R.O.C

引言
氮化镓（GaN）具有宽禁带、高击穿电场和饱和电子速度，使其成为高功率和高速晶体管应用的理想候选材料。如已证明，基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）相比于基于硅的横向扩散MOS晶体管和GaAs MESFETs，具有更高的输出功率密度。近年来，GaN-on-Si集成引起了越来越多的关注，利用低成本的硅基板为大规模GaN晶圆生产提供经济的解决方案【1】。
由于市场对持续创新和新移动标准的需求，选择合适的基板技术可以为同一芯片上的高速数字电路、模拟电路和射频前端模块提供战略优势。由于硅公共承载基板的损耗特性，数字开关噪声容易注入并传播通过整个硅基板，进而影响到芯片上敏感的模拟和射频电路【2】。在本研究中，我们研究了基于硅绝缘体（SOI）基板的AlGaN/GaN HEMT以及传统高电阻硅（HR-Si）基板的性能。并报告了两种类型器件的直流和射频特性测量结果。

器件结构与制造
图1展示了所制造器件外延结构的横截面示意图和扫描电子显微镜（SEM）图像。该结构由1.7 μm非故意掺杂（UID）GaN缓冲层、18 nm UID Al0.24Ga0.76N障碍层和15 nm原位SiNx组成。使用了两种不同类型的基板，分别是500 μm的SOI基板和1000 μm的高电阻硅（HR-Si，>6000 Ω/）基板，来生长相同的器件结构。此外，还研究了第三种器件变体——与HR-Si器件相同，但没有15 nm原位SiNx的结构。

在器件制造过程中，活动区域通过光刻胶保护，台面隔离区域在反应离子刻蚀（RIE）腔室中使用BCl3 + Cl2混合气体等离子体去除。在欧姆接触区，我们使用CF4 + O2混合气体等离子体去除SiNx。然后，使用电子束蒸发法沉积多层Ti/Al/Ni/Au（金属厚度分别为30 nm/125 nm/50 nm/200 nm）形成欧姆接触，随后在850°C的氮气丰富气氛中进行快速热退火（RTA），退火时间为30秒。

欧姆接触形成后，在15 nm厚的SiNx（MOS-HEMT）上沉积Ni/Au栅电极，栅宽为50 μm，栅长为2 μm，并形成Ni/Au电极层。器件的栅源间距为2 μm，栅漏间距从3 μm开始变化。最后，沉积150 nm的SiO2进行钝化处理。

器件特性与讨论

图2(a)显示了AlGaN/GaN异质结构在SOI和HR-Si基板上的2θ-ω X射线衍射（XRD）谱图。这两个样品的曲线显示了清晰的SiO2、GaN、AlGaN和SiNx峰值及其边带，表明样品具有平坦的表面和急剧的异质界面。为了保证由于GaN/Si界面的晶格失配导致的6英寸SOI基板的应力释放现象，对两个晶圆进行了微拉曼光谱测试。如图2(b)所示，SOI基板上的晶圆的E2峰值为565 cm−1，测得的结果与标准自由立GaN薄膜的值（567.4 cm−1）相似。与HR-Si基板上的器件（567.1 cm−1）相比，在HR-Si基板上的样品中GaN层表现出明显的拉伸应力。SOI基板上的薄膜展现了更好的应力释放性能，这有助于提高长期操作的可靠性。

对于图3中显示的SOI基板上HEMT器件的直流性能，相较于HR-Si基板上的器件，亚阈值摆幅（S.S）在300K下从340 mV/dec改善至270 mV/dec。图4绘制了器件的IDS-VDS特性曲线。在HR-Si基板上的器件，压截止电压和最大IDS分别为−5.4 V和465 mA/mm，而在SOI基板上的器件，压截止电压和最大IDS分别为−5.2 V和528 mA/mm。SOI基板上的器件表现出较高的电流密度，这被归因于较低的外延膜应力。

具有4μm漏源间距的器件的三端击穿电压（VBR）使用Agilent B1505A测量系统进行测量，并且在测量过程中两个基板都处于浮动状态。图5展示了所做的测量结果。在本研究中，VBR被定义为在VGS为−12 V时，漏极与源极之间的漏电流达到1 mA/mm时的电压。基于HR-Si基板的AlGaN/GaN HEMT的漏源（IDS）漏电流在VDS增大时迅速增加，其VBR为270 V。SOI基板中的SiO2层提供了一个能量屏障，阻止电子的垂直导电，并显著将VBR值提高至315 V。此外，SOI基板中SiO2层提供的电流阻断效应也有助于改善SOI基板上器件的理想因子和肖特基势垒高度（SBH）。

为了分析这些HEMT中的捕获/去捕获现象，对三种器件在不同栅偏压电压下的1/f噪声谱进行了测量。当栅驱动电压（VGS - Vth）的斜率接近-1时，迁移率波动机制主导了漏电流噪声谱（SID = ID²），该噪声谱与（SID = ID²）密度有关。图6(a)绘制了在VDS = 10 V和300 K下，不同VGS - Vth偏压点下频率依赖的SID = ID²密度。随着栅驱动值的增加，三种器件的SID = ID²密度之间的差异也随之增大。

图6(b)显示，传统HEMT的斜率为-1.073，HR-Si基板上的器件为-1.232，SOI基板上的器件为-0.962。这些实验结果表明，SOI基板上的器件中的波动是迁移率波动，因为VGS–Vth与SID=I2D密度的曲线接近-1。载流子在通道内向肖特基结的隧穿是单栅开关器件的主要决定因素之一。当1/f噪声主要由迁移率波动引起时，SID=I2D可以通过以下方程表示：

 其中，f 是频率，Ci 是栅绝缘体的单位电容，W 是器件的栅宽，L 是器件的栅长，q 是基本电子电荷，αH 是Hooge常数，这是用于区分1/f噪声的另一个噪声参数。如图7所示，测得的噪声支持Hooge的迁移率模型，并且SOI基板上的器件的αH值低于其他器件，在300 K时尤为明显。此外，SOI基板上的器件在不同温度范围（从300 K到500 K）下表现出比其他器件更小的αH变化。

SOI基板上的薄膜表现出更好的应力释放性能，这有助于提高长期运行的可靠性。当VGS–Vth较低时，噪声机制受到载流子数量波动的影响，这是由载流子噪声引起的。基于这一分析，金属栅与AlGaN之间的载流子捕获导致传统HEMT中αH的增加，尤其是在亚阈值区域，但在SOI基板上的器件中，αH在不同过驱电压下表现出平坦的分布，这表明GaN在SOI基板上的器件具有更好的界面、更低的栅漏电流和更大的线性度。

使用原位SiNx器件的基板在900 MHz下进行了测量，并进行了最大PAE匹配调谐。SOI和HR-Si两种基板器件的射频性能对比如图8所示。从图中可以明显看出，SOI基板上的器件表现突出。SOI基板器件的输出功率为18 dBm，PAE为30.17%，线性增益为15 dB。与HR-Si基板器件相比，PAE和增益均有所提升。

这些器件的射频性能在0.1至20 GHz范围内使用Agilent Technologies E8364C网络分析仪进行了表征。系统通过短开负载透过校准标准进行了校准。校准通过确保透过标准的S12和S21均小于±0.01 dB，以及S11和S22在测量频率范围内小于−45 dB来验证【4】。使用了在晶圆上的开路和短路图案来去除寄生垫电容和电感对测量S参数的影响【5】。

图9展示了2μm栅长器件的射频性能，VDS = 10 V，VGS = −4.4 V时，SOI基板器件的当前增益截止频率（fT）为9.1 GHz，最大频率（fmax）为21.2 GHz。而HR-Si基板器件的fT为5.2 GHz，fmax为15.6 GHz。

结论
总之，我们成功地在AlGaN/GaN HEMT的制造中应用了SOI基板技术。基于SOI基板制造的HEMT器件展示了优异的直流和射频性能。由于其出色的射频特性，SOI基板技术为高可靠性和高性能的HEMT器件及电路提供了有前景的解决方案。