發(fā)展中的GaN微電子(二)

趙正平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司，北京 100846)

2.1 可靠性研究的進(jìn)展

在半絕緣SiC襯底上形成的GaN HEMT器件在高功率密度、高壓工作、高的二維電子器濃度和高導(dǎo)熱等方面均比GaAs有優(yōu)勢(shì)，但由于本征的材料與二維電子器形成所獨(dú)有的特性也同時(shí)使它面臨和GaAs不一樣的、獨(dú)具特色的，要達(dá)到高可靠所遇到的挑戰(zhàn)。在高電壓工作下，在GaN HEMT柵－漏邊緣處的半導(dǎo)體、柵金屬和鈍化層必然要承受高達(dá)107V/cm的靜電場(chǎng);在GaN/AlGaN界面上存在的自極化和壓電效應(yīng)給溝道提供了更多的二維電子氣，但在加漏電壓時(shí)具有壓電性質(zhì)的材料會(huì)產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)(電場(chǎng)達(dá)到一定程度時(shí)晶格會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力形變，從而產(chǎn)生新的缺陷);在SiC上的GaN外延材料還處在發(fā)展初期，比成熟的GaAs外延材料還存在著差距;例如位錯(cuò)密度方面、GaAs外延層的位錯(cuò)密度在104cm－2和105cm－2的水平，而 SiC上的 GaN外延位錯(cuò)密度高達(dá)108cm－2。提高GaN HEMT可靠性的研究一直伴隨著GaN HEMT性能的研究，在不斷深入研究形成性能退化的物理機(jī)理，和采取相應(yīng)對(duì)策之中不斷把GaN HEMT可靠性提高到MTTF達(dá)到107小時(shí)水平。

在GaN HEMT研究初期，電流崩塌成為GaN HEMT可靠性與穩(wěn)定性研究的主要障礙，在直流測(cè)試、脈沖測(cè)試，以及微波測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)漏電流隨著測(cè)試大幅減小，微波功率也大幅下降。針對(duì)這類失效現(xiàn)象提出了和表面態(tài)密切相關(guān)的“虛柵”模型［40］，器件柵漏之間表面態(tài)陷阱中電荷密度的變化調(diào)制柵下面的耗盡層，導(dǎo)致漏電流的變化，以及射頻功率的下降?？刹捎肧iN膜作為表面鈍化以減少表面態(tài)的密度，阻礙表面態(tài)對(duì)電子的俘獲，也可用n型薄GaN帽層控制極化感生表面電荷［41］。依據(jù)電荷中性原理，提出了表面感生正電荷的機(jī)理［42］，按照極化感生載流子對(duì)的原理，在GaN器件表面所存在的可移動(dòng)的表面正電荷，它必然與晶體管溝道中等量的負(fù)電荷——電子相伴而生。當(dāng)脈沖測(cè)量和微波測(cè)量時(shí)，都有可能減少表面可動(dòng)正電荷;當(dāng)表面陷阱中的可動(dòng)正電荷移去時(shí)將導(dǎo)致更高的晶體管開啟電阻或更低的漏電流。同時(shí)由于溝道電流的下降也將導(dǎo)致射頻性能的退化?？赏ㄟ^減薄AlGaN勢(shì)壘層的厚度(挖槽柵工藝)，以減少極化電荷的產(chǎn)生，也可加?xùn)艌?chǎng)板以抑制表面可動(dòng)正電荷的移動(dòng)。

柵漏電流的控制是GaN HEMT可靠性研究的重要課題。在GaN HEMT表面用SiN鈍化膜抑制表面態(tài)對(duì)器件穩(wěn)定性影響的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)SiN膜對(duì)柵漏電流和柵漏擊穿電壓也有較大影響。人們采用勢(shì)壘層上生長(zhǎng)GaN帽層的方法來增加表面到溝道的距離，使得表面態(tài)的勢(shì)函數(shù)不再有效地調(diào)制溝道中的電荷。梯度摻Si的AlGaN勢(shì)壘層可補(bǔ)償負(fù)極化電荷以阻止空穴的積累。薄的AlN插入層可去除合金層的散射，以改善溝道載流子的遷移率。這些措施能有效的降低柵漏電流。由于柵漏電壓較柵源電壓大，柵漏邊的邊墻是柵漏電流的主要途徑，因而在柵靠漏邊的側(cè)墻上覆蓋40～50 nm厚的SiO2介質(zhì)層，可以阻擋柵漏電流的途徑，以減少柵的漏電［43］。

在GaN HEMT的早期失效模式中，發(fā)現(xiàn)在加高溫時(shí)，夾斷狀態(tài)的器件工作1～2小時(shí)后，出現(xiàn)漏電流突然增大而引起早期失效。這類器件的柵漏電流偏大，并和外延層存在缺陷密切相關(guān);相反那些柵漏電流較小的器件，在高溫下器件穩(wěn)定性很好［44］。進(jìn)一步深入研究表明低的柵漏電同時(shí)具有小的電流崩塌比的器件更具有好的穩(wěn)定性。GaN HEMT器件要提高工作電壓，必須進(jìn)一步減少柵的漏電，以提高器件長(zhǎng)期可靠性。采用鎳柵金屬化外層附加一層薄的氧化鎳保護(hù)膜的方法，可避免在SiN鈍化膜形成過程，由于在等離子的環(huán)境下在柵邊緣產(chǎn)生NiSi合金，它降低了Ni金屬的功函數(shù)，將導(dǎo)致柵漏電流的增大［45］。在常溫下也發(fā)現(xiàn)柵漏電引起的早期失效。當(dāng)VDS=0 V時(shí)，給GaN HEMT加反向柵電壓，部分器件在Vg為25～30 V時(shí)，柵反向漏電突然增加三個(gè)量級(jí)，形成柵漏電的突然退化。這種退化和GaN HEMT的射頻特性退化密切相關(guān)。研究表明該柵漏電流失效的機(jī)理和逆壓電效應(yīng)，AlGaN勢(shì)壘層表面自體氧化層，以及勢(shì)壘層中存在的氧深能級(jí)陷阱有關(guān)［46］。采用厚度為30?的GaN帽層可以光滑半導(dǎo)體表面，減少AlGaN自體氧化層的形成和氧缺陷的密度，以及在SiN鈍化和金－半接觸工藝中適當(dāng)?shù)那鍧嵄砻嫣幚硪詼p少氧的組分來抑制這種柵漏電的失效模式。

逆壓電效應(yīng)是針對(duì)GaN HEMT的特點(diǎn)提出的一種由電場(chǎng)引起的AlGaN勢(shì)壘層的缺陷的失效機(jī)理［47］。在GaN HEMT一定的工作條件下，在 FET柵的邊緣存在著很強(qiáng)的垂直電場(chǎng)。由于逆壓電效應(yīng)，高電場(chǎng)使得柵下AlGaN勢(shì)壘層產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過臨界值，應(yīng)力通過AlGaN晶格產(chǎn)生缺陷而得以放松;如位錯(cuò)缺陷。已通過透射電子顯微鏡可觀察到這種缺陷的形成過程［48］，開始是AlGaN晶格產(chǎn)生類似小坑的缺陷，進(jìn)而形成裂紋，并引起電學(xué)退化。逆壓電效應(yīng)不但會(huì)引起GaN HEMT的漏電流下降，溝道電阻增大，而且由于AlGaN勢(shì)壘層中所產(chǎn)生的缺陷，增加了柵極電子通過AlGaN勢(shì)壘層到溝道的隧穿幾率，導(dǎo)致柵漏電流的增加。抑制逆壓電效應(yīng)的思路有兩個(gè)方面，其一是減少AlGaN勢(shì)壘層中的應(yīng)力，如優(yōu)化Al的組分，光滑AlGaN表面以減少應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的條件;其二是增加?xùn)艌?chǎng)板結(jié)構(gòu)以降低柵下垂直電場(chǎng)，同時(shí)增加和源極連接的第二個(gè)場(chǎng)板，減少電場(chǎng)集中并減少寄生電容。

熱電子效應(yīng)是場(chǎng)效應(yīng)器件可靠性研究的重要課題，在Si MOSFET、GaAs基、InP基 HEMT器件都有大量的研究。GaN HEMT也是場(chǎng)效應(yīng)器件，它的熱電子效應(yīng)研究具有自己的特點(diǎn)。GaN HEMT未施加熱電子應(yīng)力之前，就存在有電流崩塌、柵延遲等早期失效的現(xiàn)象，需要加以克服。同時(shí)GaN HEMT柵漏電流較大，產(chǎn)生的因素很多，不能作為GaN HEMT器件的熱電子效應(yīng)的一個(gè)標(biāo)志。GaN HEMT器件的熱電子效應(yīng)和器件表面狀態(tài)及開態(tài)、關(guān)態(tài)工作有關(guān)。在早期研究中，表面用SiN鈍化后的GaN HEMT，在加高電場(chǎng)關(guān)態(tài)工作12小時(shí)之后(VDS=20 V，VGS=－8 V)，發(fā)現(xiàn)漏電流的退化。其原因是在柵與漏的高電場(chǎng)給熱電子能量使得熱電子從二維電子器溝道中逃逸并隧穿進(jìn)入相鄰的界面態(tài)，或者進(jìn)入AlGaN/GaN或進(jìn)入 SiN/AlGaN界面并產(chǎn)生新的缺陷［49］。無鈍化膜的GaN/AlGaN/GaN HEMT在開態(tài)(VDS=16 V，VGS=0 V)和關(guān)態(tài)(VDS=32 V，VGS= －6 V)下工作150小時(shí)，均觀察到熱電子效應(yīng)產(chǎn)生的漏電流退化，柵延遲的離散和柵漏電流的減少。兩者的差異是閾值電壓漂移不同，關(guān)態(tài)工作后，在VGS為0處無跨導(dǎo)崩塌。其原因是熱電子所引起的退化區(qū)域不一樣，在開態(tài)試驗(yàn)中退化區(qū)處于接近漏接觸區(qū)，關(guān)態(tài)試驗(yàn)的退化區(qū)處于接近柵接觸區(qū)［50］。SiO2/Si3N4復(fù)合膜鈍化并有30?厚的GaN帽層的GaN HEMT，在開態(tài)(VDS=25 V，功率密度6 W/mm，結(jié)溫為260℃)和關(guān)態(tài)(VDS=46 V，VGS= －6 V，結(jié)溫為130℃)工作3000小時(shí)后，在開態(tài)工作觀察到漏電流和跨導(dǎo)都下降，溝道電阻增加的退化現(xiàn)象，這是由于熱電子效應(yīng)使得柵與漏表面的陷阱密度增加所致。而關(guān)態(tài)，由于溝道里缺少電子，退化的現(xiàn)象大幅減?。?1］。鈍化的器件與非鈍化的器件在開關(guān)態(tài)存在的差異，是由于表面鈍化減少了柵漏的電場(chǎng)。非鈍化器件的開關(guān)態(tài)試驗(yàn)和深入的器件物理模擬表明在關(guān)態(tài)下熱電子效應(yīng)的缺陷產(chǎn)生發(fā)生在接近柵邊緣的窄區(qū)域，使得溝道中電子的遷移率和飽和速度下降，而加功率的狀態(tài)下，熱電子效應(yīng)是器件退化的主要原因［52］。降低熱電子效應(yīng)的方法之一就是采用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)來降低柵漏的電場(chǎng)峰值。

熱聲子效應(yīng)對(duì)GaN HEMT可靠性研究是一新課題。溝道溫度對(duì)器件的可靠性是非常重要的，要降低溝道中的溫度，首先要利用器件的熱沉，但熱沉只能排除聲學(xué)聲子的熱。要去除熱電子產(chǎn)生的熱，快速的途徑是使熱電子發(fā)射光學(xué)聲子;熱電子發(fā)射的非平衡態(tài)光學(xué)聲子，物理上被稱為熱聲子。大量熱聲子存在于具有壓電或極化性質(zhì)的GaN材料中，將導(dǎo)致晶格缺陷的產(chǎn)生，因此熱聲子的壽命和GaN HEMT的可靠性密切相關(guān)。熱聲子壽命和溝道中二維電子器密度和所加電功率相關(guān)。在晶格匹配的InAlN/AlN/GaN二維電子器溝道中的熱聲子壽命最短［53］。

對(duì)GaN HEMT失效機(jī)理的不斷深化研究，并采取相應(yīng)的對(duì)策，使得GaN HEMT的可靠性有了長(zhǎng)足進(jìn)步。通過加速壽命試驗(yàn)，得到了相應(yīng)的壽命預(yù)計(jì)的結(jié)果。以n型摻雜帽層、SiN鈍化為特點(diǎn)的矩形柵結(jié)構(gòu)GaN HEMT，剔除了高柵漏電流的器件之后，加速壽命試驗(yàn)的條件為VDS=50 V，器件處于直流夾斷工作，溝道溫度為300℃。其MTTF預(yù)計(jì)，在溝道溫度 200℃時(shí)為 106小時(shí)，其激活能為1.81eV［54］。Si襯底上 GaN HEMT 三溫直流加速壽命試驗(yàn):VDS=28 V，IDS=2.34 A，在 260℃、285℃和310℃作試驗(yàn)，工作400—1000小時(shí)，MTTF預(yù)計(jì)在溝道溫度 100℃ 時(shí)為 107小時(shí)［55］。0.25 μm 柵長(zhǎng)、400 μm柵寬，X波段雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaN HEMT，剔除柵漏電早期失效的器件后，在VDS=40 V，IDS=250 mA/mm，在260℃、290℃和320℃三溫加速壽命試驗(yàn)。同時(shí)每隔一個(gè)小時(shí)開關(guān)一次，在 IDMAXS(VGS=1 V，VDS=5 V)狀態(tài)保持一分鐘工作。加速壽命試驗(yàn)預(yù)計(jì)的MTTF在溝道溫度150℃時(shí)為107小時(shí)［46］。0.15 μm 柵長(zhǎng)，毫米波波段柵場(chǎng)板、SixNy表面鈍化的GaN HEMT，三溫射頻加速壽命試驗(yàn)，VDS=25 V，IDS=100 mA/mm，射頻輸出2 dB壓縮功率，溝道溫度分別為280℃、315℃和345℃。試驗(yàn)預(yù)計(jì)的MTTF在溝道溫度為125℃時(shí)為3.5×109小時(shí)，其激活能為 1.80 eV［56］。

3 新的發(fā)展機(jī)遇

GaN微電子的發(fā)展規(guī)律和GaAs微電子發(fā)展很類似，從分立器件到MMIC，目前又進(jìn)入高速數(shù)字電路的發(fā)展初期。由于其寬禁帶、界面應(yīng)力、高導(dǎo)熱、高二維電子氣密度和高電子飽和速度等特點(diǎn)，在整個(gè)微波到3 mm波段內(nèi)形成高功率密度和高效率的特點(diǎn)，是GaAs MMIC在功率放大等方面的后續(xù)發(fā)展替代者，目前GaN HEMT高速器件的加工尺度已進(jìn)入了GaN納電子的范疇，fT已達(dá)到190 GHz，正向fT為300 GHz到500 GHz進(jìn)軍。由于GaN納電子在柵長(zhǎng)達(dá)到10 nm量級(jí)時(shí)，其擊穿電壓還能保持10 V，是Si CMOS高速電路在數(shù)模和射頻電路領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展中的新的競(jìng)爭(zhēng)者。GaN納電子已成為第三代半導(dǎo)體發(fā)展中的一個(gè)新的機(jī)遇。由于其材料還在發(fā)展之中，位錯(cuò)密度仍較高，界面上的新效應(yīng)在形成二維電子氣高密度和逆壓電效應(yīng)兩個(gè)方面給我們帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)，克服這些挑戰(zhàn)將會(huì)在可靠性方面更加向成熟方向邁進(jìn)。

我國(guó)的GaN微電子的發(fā)展幾乎與國(guó)際上同步，在國(guó)家的自主創(chuàng)新戰(zhàn)略思想的指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)GaN微電子領(lǐng)域的精英們?cè)赟iC單晶、GaN外延材料、GaN微波功率器件和MMIC都取得了重大的進(jìn)步，正在從科研向工程化轉(zhuǎn)變。在GaN微電子發(fā)展前期，我們抓住GaN微電子的分立器件和MMIC發(fā)展的機(jī)遇，“十二五”期間，GaN微電子要在兩方面形成新的抓手:一方面把GaN分立器件和MMIC的可靠性、穩(wěn)定性解決好，實(shí)現(xiàn)工程化，進(jìn)而形成供貨能力;另一方面要繼續(xù)跟上國(guó)際發(fā)展GaN微電子的新的步伐，把更高頻率和高速數(shù)字領(lǐng)域的GaN納電子發(fā)展作為新的起點(diǎn)，在GaN納電子的新挑戰(zhàn)中再立新功。機(jī)遇偏愛于有準(zhǔn)備的頭腦，在新世紀(jì)第二個(gè)十年開始之際，讓我們?cè)贕aN微電子的發(fā)展中做出更大貢獻(xiàn)!

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