GaN基HEMT器件的缺陷研究綜述

郭偉玲， 陳艷芳， 李松宇， 雷 亮， 柏常青

(北京工業(yè)大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

GaN基HEMT器件的缺陷研究綜述

郭偉玲*， 陳艷芳， 李松宇， 雷 亮， 柏常青

(北京工業(yè)大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)因具有高輸出功率密度、高工作頻率、高工作溫度等優(yōu)良特性，在高頻大功率等領域具有廣泛應用前景。目前，HEMT器件在材料生長和工藝制備方面都取得了巨大的進步。但是，由缺陷產生的陷阱效應一直是限制其發(fā)展的重要原因。本文首先論述了HEMT器件中的表面態(tài)、界面缺陷和體缺陷所在位置及其產生的原因。然后，闡述了由陷阱效應引起的器件電流崩塌、柵延遲、漏延遲、Kink效應等現(xiàn)象，從器件結構設計和工藝設計角度，總結提出了改善缺陷相關問題的主要措施，其中著重總結了器件蓋帽層、表面處理、鈍化層和場板結構4個方面的最新研究進展。最后，探索了GaN基HEMT器件在缺陷相關問題上的未來優(yōu)化方向。

GaN； 高電子遷移率晶體管(HEMT)； 缺陷； 陷阱效應

1 引 言

近幾十年來，AlGaN/GaN HEMT器件因具有高電子遷移率、高電流密度、高耐受溫度等優(yōu)良特性而廣泛應用于高頻大功率電子器件領域[1]。但GaN基HEMT中缺陷引起的相關問題一直是限制其發(fā)展的重要因素。在材料生長和器件制備工藝過程中，會不可避免地引入缺陷，這些缺陷會在器件工作時產生陷阱俘獲效應，使頻率響應產生延遲，引起電流崩塌、射頻散射、柵延遲等現(xiàn)象，導致器件的退化及不穩(wěn)定性，嚴重影響器件的性能[2-3]。在1993年世界上的第一只 AlGaN/GaN HEMT 器件問世后，Khan 的研究小組觀察到了器件中的電流/電壓崩塌現(xiàn)象，并認為這一現(xiàn)象是由柵下絕緣層中的陷阱俘獲電子所致[4-5]。之后很多研究發(fā)現(xiàn)，缺陷引起的陷阱效應對器件的性能產生的嚴重的影響，尤其是柵漏之間的勢壘層缺陷和表面缺陷，易導致虛柵效應，進而增加外溝道電阻，使得輸出功率降低[6-7]。

多年來，眾多研究團隊利用不同的方法對器件的陷阱俘獲效應進行了大量的研究。本文論述了HEMT器件中的表面態(tài)、界面缺陷和體缺陷所在位置以及各自的產生原因，分析了陷阱效應對器件產生的影響，并在改善器件陷阱效應的措施方面，介紹了其最新研究進展。最后，針對器件缺陷相關問題，展望了器件的主要優(yōu)化方向。

2 缺陷位置及產生原因

圖1展示了GaN基HEMT器件中的主要的缺陷位置，有位于AlGaN表面的表面態(tài)、AlGaN/鈍化層界面缺陷、AlGaN/GaN 異質結界面處界面缺陷、AlGaN勢壘層和GaN緩沖層中的體缺陷。

圖1 AlGaN/GaN HEMT 器件中缺陷位置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of defect location in AlGaN/GaN HEMT device

AlGaN/GaN異質結界面缺陷和AlGaN/鈍化層界面缺陷主要是由于材料生長和器件制作過程中產生的位錯和缺陷形成的。另外，對于GaN基MIS-HEMT結構和MOS-HEMT結構的器件來說，AlGaN/絕緣層和AlGaN/氧化層界面處也存在著界面缺陷。Dammann等人利用高低頻電容技術計算得GaN/SiN界面缺陷密度在1012量級[6]。2015年，Yang等人用變溫和變頻C-V法測試分析Al2O3/GaN/AlGaN/GaN MIS-HEMT結構的界面缺陷，計算出在距離導帶0.24～0.78 eV處，界面缺陷密度分布范圍為6×1011～ 6×1012cm-2·eV-1[8]。2016年，Matteo等人實驗驗證了AlGaN/絕緣層界面缺陷和柵絕緣層中的陷阱俘獲電子是閾值電壓漂移的原因[9]。

AlGaN勢壘層和GaN緩沖層體缺陷的形成原因是多方面的。一是GaN材料沒有合適的外延襯底，因此大部分是使用異質外延襯底，而異質外延存在晶格常數(shù)不匹配問題，會使得材料在外延生長過程引入位錯和缺陷，這些缺陷會在禁帶中形成大量的深能級陷阱態(tài)；二是AlGaN/GaN HEMT結構要求GaN緩沖層呈高阻特性，這通常是通過雜質補償來實現(xiàn)，也會引入GaN層體缺陷。2014年，Meneghini等人也證實了AlGaN/GaN HEMT的緩沖層陷阱濃度依賴于緩沖層的Fe摻雜[10]。未來HEMT器件必將廣泛應用于航空航天領域，然而輻射會在GaN器件中引入空位、間隙原子以及一些絡合物等輻射缺陷[11-12]，嚴重影響器件的性能。

3 缺陷對器件性能的影響

3.1 電流崩塌效應

GaN基HEMT的電流崩塌效應依據加條件可分為直流(DC)電流崩塌和射頻(RF)電流崩塌兩種。GaN基HEMT的直流電流崩塌源自Khan等人的直流性能測試結果，如圖2所示。經過高電壓沖擊后，當源漏電壓增大時，器件的輸出電流大大減小[5]。目前對GaN基HEMT的DC電流崩塌的形成原因，主要有陷阱俘獲效應和自熱效應兩種。當器件的漏極電壓增加時，位于緩沖層、勢壘層、AlGaN表面以及AlGaN/鈍化層界面的陷阱俘獲溝道熱電子，導致二維電子氣濃度降低，輸出電流減小[13]。同時，當器件的漏極電壓增大，溝道電流增加，溝道局部溫度升高，導致溝道電子的遷移率降低，輸出電流減小[14]。對于區(qū)分陷阱俘獲效應和自熱效應的作用大小，通常采用脈沖測試的方法，但自熱效應與陷阱俘獲效應對HEMT器件電流崩塌的作用機制仍是一個值得探討的問題。

圖2 直流電流崩塌示意圖

RF電流崩塌是指HEMT器件在RF信號下，源漏輸出電流幅度與直流特性相比劇烈下降，導致輸出功率密度和功率附加效率降低的現(xiàn)象，如圖3所示[15]。另外，在交流小信號下，器件的跨導、漏極電導在不同頻率下會出現(xiàn)分散現(xiàn)象。對于RF電流崩塌效應的形成機理，目前大家比較認可的是Vetury提出的虛柵模型和Simin提出的應力模型[7,16]。應力模型即柵極所加的負偏壓增加了AlGaN層的張應力，從而增加了柵源和柵漏之間的壓應力，降低了極化電荷密度，增加了柵、源、漏之間的串聯(lián)電阻，導致輸出電流減小。虛柵模型認為，器件表面的表面態(tài)在器件工作的過程中捕獲電子，在柵漏之間的表面形成一個虛擬的柵極。在RF條件下，虛柵會調制到二維電子氣的濃度，使得器件輸出電流減小，產生電流崩塌效應。目前對應力模型和虛柵模型，雖然很好的解釋了射頻電流崩塌效應，但仍有爭議的地方，比如說應力模型無法解釋鈍化介質的硬度與電流的關系不大、MOS和MIS結構并不能完全消除RF電流崩塌效應等。在虛柵模型中，虛柵對溝道電流的調制機理仍需進一步研究，并且電流崩塌與摻雜濃度、溫度之間的關系仍有探索的空間。

圖3 RF電流崩塌示意圖

3.2 柵延遲、漏延遲

只要用眼，晶狀體就無時無刻都在發(fā)生變化，閱讀距離、用眼時間、光照條件、活動狀態(tài)等都會導致晶狀體形態(tài)改變。因此，晶狀體屈光參數(shù)的橫斷面觀察研究必須統(tǒng)一基線后才能進行，但現(xiàn)有報道對此均不夠嚴格。此外，目前仍無規(guī)范設計的縱向隊列研究來明確晶狀體在視覺反饋機制中的變化與青少年近視發(fā)生發(fā)展的因果關系。

柵延遲和漏延遲分別指當柵端或者漏端加上一個脈沖信號時，漏電流響應的延遲現(xiàn)象。如圖4所示的柵延遲現(xiàn)象，柵電壓從0 V切換到-1 V(Pulse off)時，由于陷阱中心電子的釋放，漏電流緩慢下降到其穩(wěn)態(tài)值；柵電壓從-6 V切換到-1 V(Pulse on)時，由于陷阱俘獲效應，漏電流緩慢上升到其穩(wěn)態(tài)值[17]。實驗研究發(fā)現(xiàn)，漏延遲和柵延遲主要是緩沖層陷阱和表面態(tài)的作用結果[18-20]。Schrimpf等人研究了質子輻照前后，缺陷對HEMT器件柵延遲的影響關系。他們認為質子輻照前，表面陷阱對柵延遲起主要作用；而在質子輻照后，在GaN緩沖層和AlGaN勢壘層產生的體缺陷起主要作用[21]。2014年，Zhou等人認為，無法因鈍化而消除的GaN緩沖層缺陷對柵延遲的有著重要影響[17]。

圖4 脈沖關斷和脈沖開啟過程中的柵延遲瞬態(tài)響應

Fig.4 Gate-lag transient response for pulse-off and pulse-on

3.3 Kink效應

Kink效應是指當源漏電壓較大時，輸出電流突然增大的現(xiàn)象。Kink效應會導致輸出電導(Gds)的增加，跨導的減小，以及直流特性與射頻特性的差異，使器件的不穩(wěn)定性加劇。在早期報道里，碰撞電離被認為是產生Kink效應的主要原因。近些年來，F(xiàn)u等提出，場相關的陷阱對載流子的俘獲和釋放在Kink效應中起著重要作用[22]。同年Kevin的研究也表明，GaN緩沖層中施主態(tài)陷阱對溝道熱電子的俘獲與釋放是產生Kink效應的主導機制，并通過溫度相關的瞬態(tài)電流法提取出陷阱的激活能為589±67 meV[23]。2012年，馬驥剛等人在直流模型的基礎上建立了AlGaN/GaN HEMT中的Kink效應的半經驗模型，結合仿真和實驗分析得出，HEMT器件的Kink效應除了來源于碰撞電離，還與陷阱效應和自熱效應密切相關[24]。2014年，馬曉華等人分析了基于AlGaN背勢壘HEMT的Kink效應(圖5)，利用直流I-V測試將Kink效應相關的深能級陷阱定位在GaN溝道層中，并提出GaN溝道層中由碰撞電離而產生的熱電子會影響電子的俘獲與釋放[25]。2015年，朱慧等人在實驗中觀察到AlGaN/GaN HEMT器件中的Kink效應，并認為該效應是由位于GaN緩沖層中的受主陷阱引起的[26]。

圖5 基于AlGaN背勢壘GaN基HEMT的Kink效應

Fig.5 Kink effect of the GaN-based HEMT with AlGaN back barrier layer

4 改善措施

4.1 生長GaN蓋帽層

P型GaN蓋帽層可以利用離化的受主雜質形成負空間電荷層，屏蔽表面勢的波動對溝道電子的影響。而且由于蓋帽層比較厚(一般有50 nm)，可以使溝道電子遠離器件表面，由此進一步減小了器件表面態(tài)對溝道電流的影響。2004年，Shen等人利用GaN蓋帽層減小電流崩塌效應，在n型摻雜的AlGaN勢壘層上再生長一層250 nm的非故意摻雜(UID) GaN蓋帽層，消除了RF電流崩塌效應[27]。2012年，Kim等人制備了高性能的p-GaN HEMT器件，獲得很低的柵泄漏電流，并且實現(xiàn)了3 V的閾值電壓[28]。2016年，蘇州納米所張寶順課題組提出H等離子體鈍化p-GaN技術，實現(xiàn)了增強型p-GaN柵結構AlGaN/GaN HEMT(圖6)。不同于采用刻蝕工藝去除柵下以外的p-GaN蓋帽層，H等離子體技術將柵下以外的p-GaN蓋帽層變?yōu)楦咦璧腉aN，保留下來的厚的高阻GaN有利于降低器件的電流崩塌[29]。由于制備P型蓋帽層結構需要通過選擇性外延或二次外延的方法制備，技術難度大，且需要對p-GaN層進行刻蝕，容易造成刻蝕不均勻和刻蝕損傷的問題，目前高器件性能的報道不多。

圖6 不同工藝下的增強型p-GaN柵結構AlGaN/GaN HEMT器件結構示意圖。(a)器件A：生長；(b)器件B：用Cl2/BCl3刻蝕；(c)器件C：H等離子體處理。Fig.6 Schematic diagram of p-GaN-AlGaN/GaN HEMT devices with different processes. (a) DeviceA: as-grown, (b)Device B: with Cl2/BCl3etching. (c) Device C: with hydrogen plasma treatment.

4.2 表面處理

目前表面處理可采用NH3等離子體、SiH4等離子體、N2O等離子體或者HF、HCL等化學溶劑。2014年，Lin等人對AlGaN勢壘層進行表面處理，減少了SiNx-AlGaN界面的深能級陷阱態(tài)，降低了器件的電流崩塌，提高了閾值電壓的溫度穩(wěn)定性[30]。2015年，Tseng等人在生長GaN基MOS-HEMT器件的柵介質之前，用不同配比的化學溶劑處理GaN表面，有效減小了柵介質與AlGaN勢壘層之間的界面態(tài)陷阱密度[31]。同年，宓珉瀚等人用N2O等離子體表面處理方法降低了器件的缺陷密度和缺陷的時間常數(shù)，認為N2O等離子體表面處理可以恢復N空位引起的表面缺陷，減小器件的缺陷密度，提高器件的直流特性和頻率特性[32]。Liu等人在生長SiN鈍化層之前用N2等離子體處理GaN表面，結果顯示N2等離子體處理有效降低了SiN/GaN界面缺陷密度[33]。

4.3 鈍化層

鈍化就是在器件表面沉積介質薄膜形成鈍化保護層[34]。多個研究小組證實，器件通過Si3N4鈍化可以增加溝道載流子密度、提高功率密度和附加效率、減少RF電流崩塌效應[35-36]。2000年，Green等人提出用鈍化的方法減小GaN基HEMT的RF電流崩塌效應。他們認為鈍化過程中Si進入AlGaN勢壘層成為淺施主，補償了表面施主態(tài)，即鈍化阻止了虛柵的形成從而改善了電流崩塌效應[37]。近些年，郝躍課題組對SiN鈍化后的AlGaN/GaN HEMT器件進行了中子輻照實驗，結果表明SiN鈍化可以有效地抑制中子輻照感生表面態(tài)電荷[38]。2013年，Tang 等人設計了AlN/SiNx鈍化結構，如圖7所示，先利用等離子體增強原子層沉積生長一層4 nm AlN，再利用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)生長一層50 nmSiNx。實驗結果證明，該鈍化結構有效減小了泄漏電流和動態(tài)導通電阻，降低了電流崩塌效應[39]。雖然鈍化層可以有效降低勢壘層表面態(tài)，改善器件的性能，但也增加了器件的散熱問題，降低了器件的擊穿電壓。針對這些問題，可以選擇導熱系數(shù)高的鈍化材料，并且優(yōu)化鈍化層的厚度，從而減小散熱，提高器件性能。

圖7 具有AlN/SiNx鈍化層結構的AlGaN/GaN HEMT器件示意圖

Fig.7 Device cross-sectional schematic diagram of AlGaN/GaN HEMT with AlN/SiNxstack as the passivation structure

4.4 場板結構

2008年，魏巍等人研究了場板結構對AlGaN/GaN HEMT電流崩塌的抑制能力，提出場板結構能夠抑制電流崩塌的原因有二：一是場板結構通過改變靠近柵極邊緣的耗盡層邊界的彎曲程度，來調制電場分布并且減小其峰值，降低電子被表面陷阱俘獲的概率，從而抑制虛柵的充電過程；二是場板下的SiO2介質層能夠提供表面充電電荷的放電途徑，有利于虛柵的放電[40]。2011年，郝躍課題組設計了柵源雙層場板器件的結構，如圖8所示。他們認為場板結構通過有效調節(jié)帽層中自由電子濃度的分布，提高陷阱的電離率，抑制了虛柵的充電，進而減小器件的電流崩塌效應[41]。Kazushige等人驗證了場板結構可以降低器件的電流崩塌效應和柵延遲現(xiàn)象，認為場板抑制了電子注入到緩沖層，進而有效降低緩沖層陷阱的俘獲效應[42]。之后，該課題組在2016年做了類似的仿真實驗，并得出結論：場板會降低柵極靠近漏極邊緣的電場，從而減小電子注入到緩沖層的深度[43]。同年，雷勇等人運用數(shù)值模擬的方法得出場板結構可以顯著地抑制電流崩塌效應的強度，但是對延遲時間沒有影響的結論。他們認為場板結構可以增大AlGaN表面附近的空穴積累，導致表面態(tài)的離化率增大從而抑制了器件的電流崩塌[44]。

圖8 柵源雙層場板器件的結構圖

Fig.8 Structure diagram of device with gate-source double layer field plate

4.5 其它改善措施

針對GaN基HEMT器件的缺陷問題，在材料生長方面，除了采用橫向外延生長(ELOG)、多空插入層技術、斜切襯底生長技術外，自支撐同質外延方法也可大大降低異質結材料缺陷密度。自支撐同質外延即在藍寶石襯底上，先生長一層AlN或GaN緩沖層，再用MBE或MOCVD等技術生長高質量的AlGaN/GaN 異質結。2012年，Wang等人用低壓有機物化學汽相淀積(LP-MOCVD)技術將AlGaN材料生長在自支撐GaN襯底上，發(fā)現(xiàn)其位錯密度遠遠小于生長在藍寶石襯底上的位錯密度[45]。此外，為了解決勢壘層應變而引起缺陷的問題，有人提出用InAlN 三元合金代替常規(guī) AlGaN 勢壘層[46-47]。在晶格匹配較好的InAlN/GaN異質結中，InAlN 勢壘層處于無應變狀態(tài)，有效消除了應變相關的缺陷問題。針對GaN緩沖層的雜質補償帶來的缺陷問題，也可采用禁帶更寬的AlGaN背勢壘緩沖層結構實現(xiàn)GaN緩沖層的高阻特性，避免雜質補償引入的缺陷。

5 總結與展望

近年來，GaN基HEMT器件的性能已經取得了巨大的進步，但仍有一些可靠性問題待解決：缺陷相關的電流崩塌效應、柵延遲、漏延遲、Kink效應等問題限制著GaN HEMT器件的輸出功率和截止頻率。大量研究人員投入到缺陷問題的研究中，利用C-V法、低頻噪聲和瞬態(tài)電流等方法表征器件的陷阱信息，探索陷阱中心與電子的作用機制，并通過引入蓋帽層、鈍化層和場板結構等方法，降低或消除陷阱俘獲效應的影響，提高器件的性能。

將來，針對缺陷引起的相關問題，GaN基HEMT器件需要在以下4個方面繼續(xù)取得突破進展：(1)設計新的材料結構，減小不同材料之間應變，實現(xiàn)較好的晶格匹配；(2)優(yōu)化材料生長條件，減小材料的位錯和缺陷密度；(3)優(yōu)化器件制作工藝流程及條件，降低刻蝕、腐蝕等工藝步驟帶來的晶格損傷，嚴格控制表面缺陷的引入；(4)深入探索陷阱中心俘獲電子的作用機理，研究陷阱俘獲效應與電場、溫度之間的影響關系，為器件設計與優(yōu)化提供理論基礎。在以上方向上，若能很好地解決器件的缺陷問題，GaN基HEMT器件將不僅在微波器件領域，而且在傳感探測、信息通訊、航空航天等領域都有著巨大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展前景。

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郭偉玲(1966-)，女，山西垣曲縣人，教授，碩士生導師，2003年于北京工業(yè)大學獲得博士學位，主要從事半導體器件可靠性和寬禁帶半導體器件的研究。

E-mail: guoweiling@bjut.edu.cn

Reviews on Trapping Effects of GaN-based HEMTs

GUO Wei-ling*, CHEN Yan-fang, LI Song-yu, LEI Liang, BAI Chang-qing

(KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

High electron mobility transistors (HEMTs) based on GaN have a promising prospect in the fields of high frequency and high power due to their advantages of high output power density, high operating frequency and high operating temperature. At present, great progress has been made in material growth and fabrication processes of HEMTs. However, the trapping effect produced by the defect limits the development of HEMTs. In this paper, the surface states, interface defects and bulk defects of HEMT devices and the causes of these defects were discussed. The phenomenon caused by trap effect such as the current collapse, gate lag, drain lag and kink effect were also described in detail. The main approaches to improve the defects were summarized from structure design and process design. And the latest progresses focusing on the four aspects of the capping layer, surface treatment, passivation layer and field plate structure were reviewed. Further optimization in the defect of the GaN based HEMT devices was explored at the end.

GaN；high electron mobility transistor (HEMT); defect; trapping effect

1000-7032(2017)06-0760-08

2016-12-17；

2017-03-13

國家高技術研究發(fā)展計劃(863) (2015AA033305)資助項目 Supported byNational High Technology Research and Development Program of China (863) (2015AA033305)

TN304.2; TN386.3

A

10.3788/fgxb20173806.0760

*CorrespondingAuthor,E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn