AlGaN/GaN HEMT器件高溫柵偏置應力后柵極泄漏電流機制分析

陳 歡 歡, 張 賀 秋*, 邢 鶴, 夏 曉 川, 張 振 中, 蔡 濤,葉 宇 帆, 郭 文 平, 席 慶 南, 黃 慧 詩, 梁 曉 華, 梁 紅 偉

(1.大連理工大學 集成電路學院, 遼寧 大連 116024;2.元旭半導體科技股份有限公司, 山東 濰坊 261000; 3.江蘇新廣聯科技股份有限公司, 江蘇 無錫 214192; 4.中國科學院 高能物理研究所, 北京 100049 )

0 引 言

由于GaN材料具有較大禁帶寬度,AlGaN/GaN HEMT器件在高溫等方面有極大的應用潛力,如在商業和軍事、能源工業的石油和天然氣勘探、汽車和航空航天應用等[1-2]．雖然AlGaN/GaN HEMT器件在高溫微波大功率領域有較大的優勢,但是由于其材料的性質及其復雜結構,器件在高溫應用中產生很多缺陷,造成器件性能變差,如閾值電壓的漂移、大的柵極泄漏電流等[3-4]．AlGaN/GaN HEMT器件的溝道中二維電子氣(2DEG)通過肖特基柵極調控,柵極泄漏電流增大會導致器件的功耗增大,可靠性發生很大程度的退化[5]．因此,研究柵極泄漏電流機制對器件的高溫可靠性是非常重要的．

2017年Lee等研究了325 ℃下器件高溫存儲48 h后的特性變化,認為是由柵極金屬擴散導致器件發生退化[6]．2019年Kargarrazi等將器件在500 ℃下存儲25 h后,認為是由AlGaN/GaN界面發生應變使器件柵極泄漏電流發生較大程度的退化[7]．2021年Lu等研究了柵極-10 V、漏極60 V電壓應力下,150 ℃存儲300 h后器件特性,發現界面陷阱導致閾值電壓漂移,勢壘層的退化是造成福勒-諾德海姆(Fowler-Nordheim,FN)隧穿和陷阱輔助隧穿(trap assisted tunneling,TAT)的原因[8]．柵極泄漏電流的途徑有很多,高溫存儲后器件柵極泄漏電流已經遠遠超過熱電子發射所造成的泄漏,普爾-弗倫克爾(Poole-Frenkel,PF)發射電流被認為是反向低偏壓下主導的泄漏機制,低至中偏壓下,陷阱輔助隧穿機制主導柵極泄漏電流,高偏壓下則由福勒-諾德海姆隧穿主導[9-11]．本文通過對AlGaN/GaN HEMT器件進行高溫存儲研究柵極泄漏電流的退化機制．

1 實 驗

AlGaN/GaN HEMT器件結構如圖1所示．通過有機金屬化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)生長的藍寶石襯底上方的異質結構由2 μm GaN緩沖層、400 nm GaN溝道層、0.8 nm AlN插入層、23 nm AlGaN勢壘層(Al組分為23%)和2.5 nm GaN帽層(從下到上)組成．在沉積源極和漏極金屬之前,通過干法蝕刻阻擋二維電子氣(2DEG)以達到器件隔離的目的．源極和漏極結構均為Ti(30 nm)/Al(240 nm)/Ti(30 nm)/Au(50 nm)/Pt(30 nm),在850 ℃的N2氣氛中退火2 min形成歐姆接觸．源極和漏極是對稱的,它們之間的距離為50 μm．AlGaN/GaN HEMT器件在沉積柵極金屬之前用SiO2鈍化以提高其防水性能．鈍化層開窗口后,沉積Pt(50 nm)/Au(100 nm)以形成肖特基接觸的柵極,其長度為30 μm,寬度為500 μm．

圖1 AlGaN/GaN HEMT 器件結構

具體實驗過程是在高溫裝置mK2000B上加熱器件,溫度設置為250 ℃,mK2000B的探針連接安捷倫B1505半導體參數分析儀．在加熱過程中,對柵極施加-2 V電壓應力,并定期測試器件肖特基特性,直到器件失效．測試參數設置：漏-源電壓Vds為0 V;柵-源電壓Vg從-8 V掃描至1 V,步長為0.1 V．

2 結果和分析

2.1 高溫存儲

圖2(a)顯示了器件在250 ℃下施加應力0～420 min后的肖特基特性,間隔為10 min．可以看出,柵極泄漏電流隨著應力時間的增加而增大,這表明柵極退化程度隨著應力時間的增加而變得劇烈．

圖2(b)是無應力、應力后及在室溫下靜置后的器件柵極泄漏電流密度對比圖．3種狀態的器件測試條件相同,漏-源電壓均為0 V,柵-源電壓從-8 V掃描至1 V,溫度條件均為室溫．與受到應力后的器件相比,無應力器件的柵極泄漏電流密度增加了兩個數量級,受到應力器件在室溫下靜置后柵極泄漏電流密度恢復了約20%．

(a) 250 ℃下器件柵極泄漏電流

(b) 器件柵極泄漏電流密度

在圖3中,電容-電壓特性顯示了受到應力后器件的閾值電壓正向漂移,這是勢壘層電荷和應力期間產生的界面狀態共同作用的結果．為了分析HTGB后柵極泄漏電流機制,需要AlGaN勢壘層的電場．電場的表達式如式(1)[12]所示,其中npol為極化電荷面密度,其與Al組分x的關系由式(2)給出．

(1)

圖3 無應力器件和室溫下靜置后器件的電容-電壓特性

(0.059 3x+0.049 2x2)C/m2

(2)

式中：x為0.23,C為電容密度,ε0為真空介電常數,q為電荷量,ns為溝道中電子的面密度,P為極化強度．AlGaN的相對介電常數εAlGaN與Al組分x的關系由下式[13]給出：

εAlGaN(x)=10.4-0.3x

(3)

溝道中電子的面密度ns由式(4)[5]給出,其中C可通過圖3獲得,Von為開態電壓,取0 V,Voff為關態電壓,取-8 V．

(4)

根據上述參數和式(1),可獲得受到應力器件在室溫下靜置后的電場,如圖4所示,其中插圖顯示了器件電容和二維電子氣(2DEG)面密度．

圖4 受到應力器件在室溫下靜置后的電場

2.2 柵極泄漏電流機制分析

器件柵極泄漏電流的機制包括熱電子發射(thermionic emission,TE)、普爾-弗倫克爾發射、福勒-諾德海姆隧穿和陷阱輔助隧穿[14]．示意圖如圖5所示,其中Efm和Efs分別代表柵極和GaN的費米能級．

圖5 柵極泄漏電流機制

2.2.1 熱電子發射 首先分析正向偏置下的柵極泄漏電流機制,在這個電壓偏置范圍,考慮是熱電子發射引起柵極泄漏電流[5]．肖特基接觸的柵極泄漏電流方程如下式所示：

(5)

式中：Js為反向飽和電流密度;n為理想因子;T為熱力學溫度,取值為298 K;k為玻爾茲曼常數．

反向飽和電流密度Js由下式給出：

(6)

式中：A*為理查遜常數,取值為33.5 A/(cm2·K2);φb為肖特基勢壘高度．

式(7)、(8)分別由式(5)、(6)變形得到：

(7)

(8)

根據式(7)可以做出電流密度-電壓(lnJ-Vg)曲線,如圖6所示,根據其截距可求出飽和電流密度Js,斜率可求出理想因子n,其值為2.07．肖特基勢壘高度可根據式(8)求得,其值為0.67 V．

2.2.2 普爾-弗倫克爾發射 經過計算,由熱電子發射引起的反向偏置電流遠小于實際測得的電流(負幾十次方量級),因此忽略反向偏置下熱電子發射引起的漏電．在小反向偏置電壓下柵極泄漏電流考慮由普爾-弗倫克爾發射引起,其電流由下式[9]給出：

圖6 熱電子發射的電流密度-電壓曲線

(9)

式中：c為常數,E為電場強度,φt為電子從缺陷能級發射的勢壘高度．由式(9)變形可得

(10)

其中

(11)

(12)

若由普爾-弗倫克爾發射引起柵極泄漏電流,則ln(JPF/E)與E1/2應有較好的線性關系．

根據式(10),結合圖2(b)與圖4,可以做出ln(JPF/E)與E1/2曲線,如圖7所示,對應電壓為-0.4～-3.6 V．圖中線性擬合較好,說明在此電壓范圍內,柵極泄漏電流由普爾-弗倫克爾發射引起．

圖7 ln(JPF/E)與E1/2 曲線

2.2.3 陷阱輔助隧穿 在閾值電壓附近,柵極泄漏電流由陷阱輔助隧穿機制主導[10]．陷阱輔助隧穿電流JTAT由下式[15]給出：

(13)

圖8為lnJTAT與E-1曲線．若電流由陷阱輔助隧穿引起,則二者呈良好線性關系．對應電壓為-4.5～-5.4 V．

圖8 ln JTAT與E-1曲線

2.2.4 福勒-諾德海姆隧穿 在大反向偏置電壓下,柵極泄漏電流由福勒-諾德海姆隧穿引起[11]．福勒-諾德海姆隧穿概率由下式[16]給出：

(14)

(15)

Al組分x為0.23．AlN禁帶寬度為6.2 eV,GaN禁帶寬度為3.4 eV,得到AlGaN禁帶寬度為4.2 eV．

在大反向偏置電壓下器件電場達到飽和,為1.75 MV/cm,在該電場下福勒-諾德海姆隧穿概率為99.9%,接近1．隧穿電流密度JFN與電場E的關系由下式[5]給出：

(16)

其中

(17)

式中：φeff為有效勢壘高度．式(16)經過變形得

ln(JFN/E2)=lnA-B/E

(18)

圖9為ln(JFN/E2)與E-1曲線．若電流由福勒-諾德海姆隧穿引起,則二者呈良好線性關系．對應電壓為-6.0～-7.9 V．

圖9 ln(JFN/E2)與E-1曲線

3 結 語

AlGaN/GaN HEMT器件的性能會受到柵極泄漏的影響．不同電壓下柵極泄漏電流受到不同的調控機制．在正向偏置范圍內,柵極泄漏電流由熱電子發射引起．在反向偏置范圍內,普爾-弗倫克爾發射在小電壓范圍內占主導地位;閾值電壓附近的范圍由勢壘層中的陷阱輔助隧穿引起;在大電壓范圍內,福勒-諾德海姆隧穿主要導致柵極泄漏電流．