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(shī), 梁 曉 華, 梁 紅 偉

(1.大連理工大學(xué) 集成電路學(xué)院, 遼寧 大連 116024;2.元旭半導(dǎo)體科技股份有限公司, 山東 濰坊 261000; 3.江蘇新廣聯(lián)科技股份有限公司, 江蘇 無(wú)錫 214192; 4.中國(guó)科學(xué)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(yīng)用潛力,如在商業(yè)和軍事、能源工業(yè)的石油和天然氣勘探、汽車和航空航天應(yīng)用等[1-2]．雖然AlGaN/GaN HEMT器件在高溫微波大功率領(lǐng)域有較大的優(yōu)勢(shì),但是由于其材料的性質(zhì)及其復(fù)雜結(jié)構(gòu),器件在高溫應(yīng)用中產(chǎn)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(guò)肖特基柵極調(diào)控,柵極泄漏電流增大會(huì)導(dǎo)致器件的功耗增大,可靠性發(fā)生很大程度的退化[5]．因此,研究柵極泄漏電流機(jī)制對(duì)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(chǔ)48 h后的特性變化,認(rèn)為是由柵極金屬擴(kuò)散導(dǎo)致器件發(fā)生退化[6]．2019年Kargarrazi等將器件在500 ℃下存儲(chǔ)25 h后,認(rèn)為是由AlGaN/GaN界面發(fā)生應(yīng)變使器件柵極泄漏電流發(fā)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(yīng)力下,150 ℃存儲(chǔ)300 h后器件特性,發(fā)現(xiàn)界面陷阱導(dǎo)致閾值電壓漂移,勢(shì)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(chǔ)后器件柵極泄漏電流已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)熱電子發(fā)射所造成的泄漏,普爾-弗倫克爾(Poole-Frenkel,PF)發(fā)射電流被認(rèn)為是反向低偏壓下主導(dǎo)的泄漏機(jī)制,低至中偏壓下,陷阱輔助隧穿機(jī)制主導(dǎo)柵極泄漏電流,高偏壓下則由福勒-諾德海姆隧穿主導(dǎo)[9-11]．本文通過(guò)對(duì)AlGaN/GaN HEMT器件進(jìn)行高溫存儲(chǔ)研究柵極泄漏電流的退化機(jī)制．

1 實(shí) 驗(yàn)

AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖1所示．通過(guò)有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)生長(zhǎng)的藍(lán)寶石襯底上方的異質(zhì)結(jié)構(gòu)由2 μm GaN緩沖層、400 nm GaN溝道層、0.8 nm AlN插入層、23 nm AlGaN勢(shì)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(guò)干法蝕刻阻擋二維電子氣(2DEG)以達(dá)到器件隔離的目的．源極和漏極結(jié)構(gòu)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(duì)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(kāi)窗口后,沉積Pt(50 nm)/Au(100 nm)以形成肖特基接觸的柵極,其長(zhǎng)度為30 μm,寬度為500 μm．

圖1 AlGaN/GaN HEMT 器件結(jié)構(gòu)

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程是在高溫裝置mK2000B上加熱器件,溫度設(shè)置為250 ℃,mK2000B的探針連接安捷倫B1505半導(dǎo)體參數(shù)分析儀．在加熱過(guò)程中,對(duì)柵極施加-2 V電壓應(yīng)力,并定期測(cè)試器件肖特基特性,直到器件失效．測(cè)試參數(shù)設(shè)置：漏-源電壓Vds為0 V;柵-源電壓Vg從-8 V掃描至1 V,步長(zhǎng)為0.1 V．

2 結(jié)果和分析

2.1 高溫存儲(chǔ)

圖2(a)顯示了器件在250 ℃下施加應(yīng)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(yīng)力時(shí)間的增加而增大,這表明柵極退化程度隨著應(yīng)力時(shí)間的增加而變得劇烈．

圖2(b)是無(wú)應(yīng)力、應(yīng)力后及在室溫下靜置后的器件柵極泄漏電流密度對(duì)比圖．3種狀態(tài)的器件測(cè)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(yīng)力后的器件相比,無(wú)應(yīng)力器件的柵極泄漏電流密度增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí),受到應(yīng)力器件在室溫下靜置后柵極泄漏電流密度恢復(fù)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(yīng)力后器件的閾值電壓正向漂移,這是勢(shì)壘層電荷和應(yīng)力期間產(chǎn)生的界面狀態(tài)共同作用的結(jié)果．為了分析HTGB后柵極泄漏電流機(jī)制,需要AlGaN勢(shì)壘層的電場(chǎng)．電場(chǎng)的表達(dá)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(guān)系由式(2)給出．

(1)

圖3 無(wú)應(yīng)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(shù),q為電荷量,ns為溝道中電子的面密度,P為極化強(qiáng)度．AlGaN的相對(duì)介電常數(shù)εAlGaN與Al組分x的關(guān)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(guò)圖3獲得,Von為開(kāi)態(tài)電壓,取0 V,Voff為關(guān)態(tài)電壓,取-8 V．

(4)

根據(jù)上述參數(shù)和式(1),可獲得受到應(yīng)力器件在室溫下靜置后的電場(chǎng),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(yīng)力器件在室溫下靜置后的電場(chǎng)

2.2 柵極泄漏電流機(jī)制分析

器件柵極泄漏電流的機(jī)制包括熱電子發(fā)射(thermionic emission,TE)、普爾-弗倫克爾發(fā)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(fèi)米能級(jí)．

圖5 柵極泄漏電流機(jī)制

2.2.1 熱電子發(fā)射 首先分析正向偏置下的柵極泄漏電流機(jī)制,在這個(gè)電壓偏置范圍,考慮是熱電子發(fā)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(xué)溫度,取值為298 K;k為玻爾茲曼常數(shù)．

反向飽和電流密度Js由下式給出：

(6)

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

式(7)、(8)分別由式(5)、(6)變形得到：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)可以做出電流密度-電壓(lnJ-Vg)曲線,如圖6所示,根據(jù)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(shì)壘高度可根據(jù)式(8)求得,其值為0.67 V．

2.2.2 普爾-弗倫克爾發(fā)射 經(jīng)過(guò)計(jì)算,由熱電子發(fā)射引起的反向偏置電流遠(yuǎn)小于實(shí)際測(cè)得的電流(負(fù)幾十次方量級(jí)),因此忽略反向偏置下熱電子發(fā)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(fā)射引起,其電流由下式[9]給出：

圖6 熱電子發(fā)射的電流密度-電壓曲線

(9)

式中：c為常數(shù),E為電場(chǎng)強(qiáng)度,φt為電子從缺陷能級(jí)發(fā)射的勢(shì)壘高度．由式(9)變形可得

(10)

其中

(11)

(12)

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

根據(jù)式(10),結(jié)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(duì)應(yīng)電壓為-0.4～-3.6 V．圖中線性擬合較好,說(shuō)明在此電壓范圍內(nèi),柵極泄漏電流由普爾-弗倫克爾發(fā)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(jī)制主導(dǎo)[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(guān)系．對(duì)應(yīng)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(chǎng)達(dá)到飽和,為1.75 MV/cm,在該電場(chǎng)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(chǎng)E的關(guān)系由下式[5]給出：

(16)

其中

(17)

式中：φeff為有效勢(shì)壘高度．式(16)經(jīng)過(guò)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(guān)系．對(duì)應(yīng)電壓為-6.0～-7.9 V．

圖9 ln(JFN/E2)與E-1曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

AlGaN/GaN HEMT器件的性能會(huì)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(diào)控機(jī)制．在正向偏置范圍內(nèi),柵極泄漏電流由熱電子發(fā)射引起．在反向偏置范圍內(nèi),普爾-弗倫克爾發(fā)射在小電壓范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位;閾值電壓附近的范圍由勢(shì)壘層中的陷阱輔助隧穿引起;在大電壓范圍內(nèi),福勒-諾德海姆隧穿主要導(dǎo)致柵極泄漏電流．