图1 凹槽栅MOS-HEMTs器件和常规GaN HEMTs器件的结构图
从CV特性分析凹槽栅深度和栅介质的特性。CV测试图形采用的圆环结构，外圆环是欧姆接触（Ti/Al/Ni/Au，厚度为220/1400/550/450Å），经过870℃高温退火40s形成。圆环内部为肖特基接触（Ni/Au/Ni=450/2000/200Å），半径为65um。测试频率为1MHz，栅压从-5V扫到3V，步长为0.1V。
图2 不同刻蚀时间的MOS-HEMTs器件的CV特性
如图2所示，CMOS-HEMT为常规MOS-HEMTs电容结构中的零偏电容，其值为42.4pF，CHEM为HEMTs电容结构中的零偏电容，其值为54.4pF，A为CV测试面积，Cox为Al2O3的相对介电常数，dox为栅介质的厚度，εox为介质层的电容，ε0为真空条件下的介电常数。从以上这三个公式可算出栅介质Al2O3的厚度为5.52nm，这比计划生长的5nm厚，可能是材料表面形成一层低介电常数氧化层的缘故。由公式（2）计算得出势垒层厚度为19.3nm。同样利用这几个公式可以计算出刻蚀15s，17s和19s行成的凹槽栅深度分别为0.62nm，2.71nm和3.25nm。
从图3可以看出，随着刻蚀时间的增加，刻蚀深度并不是线性的，这有两个原因：a、RIE刻蚀需要起辉时间；b、势垒层表面有层自然氧化层，并且不致密。另外，阈值电压负漂的影响随着刻蚀时间的增加，随之减小，这说明凹槽栅刻蚀能够有效地减弱MOS结构带入的阈值电压负漂的影响。
图3 不同凹槽栅深度MOS-HEMTs随着刻蚀时间的阈值电压漂移量和势垒层层厚度的对比。
根据测的1MHz下的CV特性曲线，根据公式（4）和（5）
图4 不同凹槽栅深度的MOS-HEMTs的载流子浓度分布。
光照CV法是计算和评价AlGaN/GaNMOS-HEMTs器件MOS电容介质层中和MOS结构与AlGaN势垒层的界面态特性的重要方法。通过黑暗环境下测试，栅电压从3V扫到-5V，让二维电子气从积累到耗尽，然后再对器件光照，让俘获的电子从陷阱中释放出来，栅电压从-5V扫到3V。从图5可看出，通过黑暗和光照条件下得到的CV曲线有所漂移，这是由于陷阱俘获电子的缘故，这便可估算出MOS结构中的界面态密度。我们认为这种平带电压的漂移是由于界面陷阱俘获电子导致的，所以可通过△Q=C△V和Ns=△Q/qA计算出四种MOS结构中的界面态密度，凹槽栅深度为0.62nm的MOS-HEMTs器件的界面态密度为4.69×1011cm-2eV-1，凹槽栅深度为2.71nm的MOS-HEMTs器件的界面态密度为7.03×1011cm-2eV-1，凹槽栅深度为3.25nm的MOS-HEMTs器件的界面态密度为8.59×1011cm-2eV-1，而常规MOS-HEMTs器件的为1.33×1012cm-2eV-1。不难看出，通过凹槽栅刻蚀后，MOS结构的界面态密度减小了一个量级，说明凹槽栅刻蚀确实能够有效地减小MOS栅介质和AlGaN势垒层间的界面态密度。另外随着凹槽栅刻蚀深度的增加，界面态密度有所增加，这可能是由于刻蚀损伤所造成的。
图5 （a）0.62nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； （b）2.71nm深的凹槽栅MOS-HEMTs；
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的光照CV法测试图。
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的光照CV法测试图。
为了分析不同槽栅结构MOS-HEMTs的陷阱特性，我们比较了常规结构MOS-HEMT和槽栅结构MOS-HEMT器件的电导随频率的变化关系。变频C-V测试采用keithley4200scs，测量频率从10KHz到1MHz，步长为10KHz。根据以下公式：
其中，DT为陷阱密度，τT为陷阱时常数，Cb为势垒层电容，ω为角频率。可通过拟合实验所得的CP(ω)或GP(ω)数据来获得陷阱密度和时常数。不同槽栅深度的MOS-HEMTs的CP(ω)随ω的关系是在阈值电压附近偏压所测的，如图6所示。通过图7，我们得到了常规MOS-HEMT结构的界面态密度Dit=(0.72-1.22)×1012cm-2eV-1，界面态时常数为τit=(0.19-0.64)μs；而0.62nm深的凹槽栅MOS的界面态密度Dit=(0.55-1.08)×1012cm-2eV-1，界面态时常数为τit=(0.2-1.59)μs；2.71nm深的凹槽栅MOS的界面态密度Dit=(0.97-1.14)×1012cm-2eV-1，界面态时常数为τit=(0.24-0.49)μs；3.25nm深的凹槽栅MOS的界面态密度Dit=(0.76-1.2)×1012cm-2eV-1，界面态时常数为τit=(0.19-0.94)μs。可以看出经过凹槽栅刻蚀后，界面态密度没有增加，反而有明显的减小，对比界面态时常数的变化，可以看出界面态时常数的量级都在微秒级别，属于快态陷阱，这说明槽栅结构能够减少Al2O3栅介质与势垒层之间的表面态密度，且不会产生新的界面态陷阱类型。因为暴露空气中的材料表面会有一层自然氧化层，在AlGaN亚表面区域会由于AlOx和GaOx氧化物的产生使得N原子的缺失，从而形成了N空位，同时亚表面区域也有其他杂质（如C，O，Si等）。通过Cl基刻蚀这层氧化层减小了栅下区域界面态密度，而小功率刻蚀不产生新的界面陷阱类型。
图6 （a）0.62nm深的凹槽栅MOS-HEMTs；（b）2.71nm深的凹槽栅MOS-HEMTs；
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的电容与测试频率的关系图。
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的电容与测试频率的关系图。
图7 （a）0.62nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； （b）2.71nm深的凹槽栅MOS-HEMTs；
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的电导与测试频率的关系图。
（c）3.25nm深的凹槽栅MOS-HEMTs； (d)常规MOS-HEMTs的电导与测试频率的关系图。