基于脈沖方法的超短柵長GaN基高電子遷移率晶體管陷阱效應(yīng)機理?

周幸葉 呂元杰 譚鑫 王元剛 宋旭波 何澤召 張志榮 劉慶彬 韓婷婷 房玉龍 馮志紅

(河北半導(dǎo)體研究所,專用集成電路國家級重點實驗室,石家莊 050051)(2018年3月18日收到;2018年5月7日收到修改稿)

1 引 言

作為新一代高頻、高溫和大功率固態(tài)電子器件,寬禁帶GaN基高電子遷移率晶體管(HEMTs)在半導(dǎo)體領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,并在微波功率應(yīng)用領(lǐng)域取得了巨大成功,一些性能優(yōu)良的電子器件與集成電路已經(jīng)進入市場[1].然而,這類器件的潛在優(yōu)勢卻受到電流崩塌及自熱效應(yīng)等其他可靠性問題的制約[2?19],器件性能難以達到理論值.器件中缺陷的存在被認為是這些寄生效應(yīng)的主要原因,材料缺陷會作為陷阱中心引起器件性能的退化.多年來,世界各國的研究人員已經(jīng)投入大量時間和精力來研究分析深能級陷阱效應(yīng).脈沖I-V測試經(jīng)常被用于表征和分析GaN基器件的電流崩塌情況[2?7].除此之外,瞬態(tài)技術(shù)也是研究GaN基HEMT中深能級陷阱的一種非常有效的方法,文獻[4–8]采用瞬態(tài)方法研究了深能級陷阱對GaN基器件動態(tài)特性的影響.基于二維數(shù)值仿真可以進一步分析器件中的陷阱效應(yīng)物理機制[9?17],Miccoli等[11]將柵延遲和漏延遲現(xiàn)象分別歸咎于施主型表面陷阱和受主型體陷阱.然而,隨著器件頻率越來越高,器件尺寸變得越來越小,對小尺寸器件中深能級陷阱的表征變得越發(fā)困難.目前,對GaN基HEMT中深能級陷阱的研究大都是基于大尺寸器件,對小尺寸器件的可靠性研究工作較少.

本文基于脈沖I-V測試和二維數(shù)值瞬態(tài)仿真對超短柵長(Lg=80 nm)AlGaN/GaN金屬氧化物半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管(MOSHEMT)的動態(tài)特性進行了深入研究,測試了不同靜態(tài)偏置條件下的脈沖I-V特性曲線,提取出了器件電流崩塌與靜態(tài)偏置電壓之間的依賴關(guān)系,分析了深能級陷阱對AlGaN/GaN MOSHEMT器件動態(tài)特性的影響.結(jié)果表明,AlGaN/GaN MOSHEMT器件的電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓之間為非單調(diào)變化關(guān)系,這是由柵漏電注入和熱電子注入兩種陷阱機制共同作用的結(jié)果.為了進一步抑制電流崩塌,可通過改善柵介質(zhì)的質(zhì)量以減小柵漏電或提高外延材料質(zhì)量以減少缺陷密度等措施達到抑制陷阱效應(yīng)的目的.

本文第2部分主要描述器件樣品的結(jié)構(gòu)和制備工藝;第3部分對AlGaN/GaN MOSHEMT的脈沖測試和數(shù)值仿真結(jié)果進行詳細的分析和討論;第4部分對本文工作進行總結(jié).

2 器件結(jié)構(gòu)與制備

圖1給出了所制備的AlGaN/GaN MOSHEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖,外延材料通過在2英寸(1英寸=2.54 cm)(0001)面藍寶石襯底上采用金屬有機化學(xué)氣相淀積方法(MOCVD)制得,AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)從下至上包括2μm厚的無人為摻雜GaN緩沖層、1 nm厚的AlN插入層和24 nm厚的Al0.24Ga0.76N勢壘層,室溫下霍爾測試顯示二維電子氣(2DEG)濃度和電子遷移率分別為9.5×1012cm?2和2014 cm2·V?1·s?1.

器件樣品的制備始于臺面隔離,首先通過耦合等離子體(ICP)干法刻蝕獲得器件臺面,然后采用Ti/Al/Ni/Au復(fù)合金屬形成源/漏電極,并在氮氣氛圍下850°C快速退火30 s形成歐姆接觸.通過電子束直寫曝光將柵的光刻膠圖形定義好后,采用電子束蒸發(fā)在樣品表面淀積一層3 nm厚的金屬鋁,并將其置于空氣中24 h,使金屬鋁發(fā)生氧化,從而形成Al2O3作為柵介質(zhì),之后淀積Ni/Au金屬并剝離,形成柵電極.基于自氧化的Al2O3可實現(xiàn)柵介質(zhì)的自對準[20?22],即僅在柵電極下方存在柵介質(zhì).最后,器件采用50 nm厚的SiNx進行鈍化.T型柵位于源漏之間,柵長Lg=80 nm,源漏間距Lsd為4μm.

所制備的80 nm柵長AlGaN/GaN MOSHEMT器件樣品的直流測試結(jié)果如圖2所示,圖2(a)和圖2(b)分別為器件的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,同時圖2(a)給出了相應(yīng)偏置電壓下的柵電流曲線.值得注意的是,在關(guān)斷狀態(tài)下器件的柵漏電大于源漏電流,表明器件在關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流Ids主要由柵電流Igs決定,如圖2(a)所示.此外,由于柵長較短,器件存在一定的短溝效應(yīng),即隨著漏端電壓的增大,漏電流隨之增加,如圖2(b)所示.

圖1 AlGaN/GaN MOSHEMT器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic cross-section structure of AlGaN/GaN MOSHEMT.

圖2 80 nm柵長AlGaN/GaN MOSHEMT器件的直流特性曲線 (a)轉(zhuǎn)移特性曲線;(b)輸出特性曲線Fig.2.I-V characteristics of AlGaN/GaN MOSHEMT with 80 nm gate length:(a)Transfer curves;(b)output curves.

3 結(jié)果與討論

為了研究深能級陷阱效應(yīng)對小尺寸短柵長AlGaN/GaN MOSHEMT動態(tài)特性的影響,我們對所制備的器件樣品進行了不同靜態(tài)偏置條件下的脈沖I-V測試,并對器件進行了二維數(shù)值瞬態(tài)仿真,分析了深能級陷阱導(dǎo)致的電流崩塌的內(nèi)在物理機制.本節(jié)中我們對脈沖I-V測試結(jié)果和瞬態(tài)仿真結(jié)果進行詳細的分析和討論.

3.1 脈沖I-V測試

在脈沖I-V測試時,在每個脈沖周期,器件的柵極和漏極首先被偏置在靜態(tài)點(VgsQ,VdsQ)進行陷阱填充,在此期間,器件中的陷阱被電子填充,然后偏置電壓從靜態(tài)偏置點跳到測試點(Vgs,Vds),被俘獲的電子隨著時間的推移得到釋放,從而得到被測器件的脈沖I-V特性曲線.脈沖I-V測試的偏置條件如圖3所示,為了使陷阱在靜態(tài)偏置階段俘獲更多的電子,我們選取了較長的脈沖周期和較短的脈沖寬度,除非特殊說明,本文中的脈沖周期和脈沖寬度分別選取10 ms和1μs.

圖3 脈沖I-V測試電壓偏置條件Fig.3.Bias voltage setup for pulsed I-V measurement.

圖4給出了不同靜態(tài)偏置條件下AlGaN/GaN MOSHEMT的脈沖輸出特性曲線,圖4(a)為不同靜態(tài)偏置條件下的脈沖I-V曲線,柵壓從?9–1 V之間變化,可以看出,與初始狀態(tài)(VgsQ,VdsQ)=(0 V,0 V)相比,不同靜態(tài)偏置點的飽和電流由于陷阱效應(yīng)都發(fā)生了下降,即出現(xiàn)了電流崩塌現(xiàn)象.圖4(b)給出了柵壓Vgs=1 V時不同柵極靜態(tài)偏置條件下的脈沖I-V測試結(jié)果,柵極靜態(tài)偏置電壓VgsQ從?8–0 V之間變化.結(jié)果表明,電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓有著密切的依賴關(guān)系.

為了進一步研究陷阱效應(yīng)對AlGaN/GaN MOSHEMT動態(tài)特性的影響,我們對器件樣品在漏端靜態(tài)偏置點VdsQ分別為0,5和10 V時進行了脈沖I-V測試,并提取出了相應(yīng)的電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓VgsQ的依賴關(guān)系,如圖5所示.電流崩塌在此定義為柵壓Vgs=1 V,漏壓Vds=10 V時不同靜態(tài)偏置條件 (VgsQ,VdsQ)下與初始狀態(tài)(VgsQ,VdsQ)=(0 V,0 V)相比飽和電流的減小量.同時,圖中給出了相應(yīng)偏置條件下的柵泄漏電流或亞閾區(qū)的漏源電流,Vgs(Q)和Vds(Q)分別表示柵極和漏極的靜態(tài)偏置電壓VgsQ和VdsQ或測試電壓Vgs和Vds.

圖4 不同靜態(tài)偏置條件下AlGaN/GaN MOSHEMT的脈沖I-V特性曲線 (a)不同柵壓;(b)柵壓為1 VFig.4.Pulsed I-V characteristics of AlGaN/GaN MOSHEMT with different quiescent bias voltages:(a)Pulsed output curves with various gate voltages;(b)pulsed output curves with Vgs=1 V.

從圖5可以看出,當(dāng)漏極靜態(tài)偏置電壓為VdsQ=0 V時,電流崩塌隨著柵極靜態(tài)偏置電壓VgsQ的增加而單調(diào)減小(如圖5(a));而當(dāng)漏極靜態(tài)偏置電壓增大為VdsQ=5 V時,電流崩塌隨著柵極靜態(tài)偏置電壓VgsQ的增加并非單調(diào)變化,即電流崩塌先是隨著柵極靜態(tài)偏置電壓VgsQ的增加而緩慢下降,然后逐漸增加并達到一個峰值,隨后又開始減小(如圖5(b));圖5(c)表現(xiàn)出與圖5(b)類似的變化趨勢.此外,可以看出,隨著漏極靜態(tài)偏置電壓VdsQ的增加,電流崩塌隨之增大.

圖5 電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓的依賴關(guān)系 (a)VdsQ=0 V;(b)VdsQ=5 V;(c)VdsQ=10 VFig.5.Current collapse as a function of gate quiescent bias voltage:(a)VdsQ=0 V;(b)VdsQ=5 V;(c)VdsQ=10 V.

電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓的這種非單調(diào)變化依賴關(guān)系可以通過兩種陷阱效應(yīng)機制的共同作用來解釋:1)柵漏電注入相關(guān)的陷阱機制;2)熱電子注入相關(guān)的陷阱機制.當(dāng)VdsQ=0 V時,器件內(nèi)部沒有溝道電流或熱電子,所以柵漏電注入相關(guān)的陷阱機制對器件的電流崩塌占主導(dǎo)地位,隨著靜態(tài)偏置電壓VgsQ的增加,柵漏電減小,從而由于柵漏電注入并被陷阱俘獲的電子減少,器件的電流崩塌緩慢減小.圖5(a)中給出的電流崩塌與柵泄漏電流的變化趨勢相符合,進一步印證了這一理論,該現(xiàn)象與文獻[7]中的結(jié)果一致.當(dāng)VdsQ=5 V或10 V時,電流崩塌隨著柵極靜態(tài)偏置電壓的增加而非單調(diào)變化,當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時,漏源電流Ids主要由柵電流Igs決定(如圖2(a)所示),溝道內(nèi)沒有形成2DEG,從而溝道內(nèi)也就沒有熱電子,所以,電流崩塌主要由柵漏電注入陷阱機制導(dǎo)致,此時電流崩塌與柵漏電Igs變化趨勢保持一致,如圖5(b)和圖5(c)所示;隨著柵電壓增加,器件逐漸開啟,溝道內(nèi)開始形成二維電子氣,熱電子注入陷阱機制開始占據(jù)主導(dǎo)地位,柵極靜態(tài)偏置電壓越大,溝道電流越大,被陷阱俘獲的熱電子越多,導(dǎo)致電流崩塌增加,此時電流崩塌與亞閾區(qū)漏源電流Ids的變化趨勢非常符合,且與文獻[7]的結(jié)果相一致,如圖5(b)和圖5(c)所示.而且,漏極電壓越高,熱電子能量越大,越容易被陷阱俘獲,從而引起器件電流崩塌越大.但是,與文獻[7]結(jié)果不同的是,當(dāng)柵極靜態(tài)偏置電壓繼續(xù)增加時,電流崩塌不再增加反而開始減小.這可能由多種原因?qū)е?一是柵漏電注入陷阱機制導(dǎo)致的電流崩塌不斷減小;二是熱電子的能量由于嚴重的電子散射和自熱效應(yīng)影響而降低,從而使熱電子注入陷阱機制導(dǎo)致的電流崩塌減小.

3.2 器件瞬態(tài)仿真

瞬態(tài)技術(shù)是研究AlGaN/GaN HEMT中陷阱的一種非常有效的方法.為了更深入地分析陷阱效應(yīng)的內(nèi)在物理機制,我們對GaN基HEMT器件進行了二維數(shù)值瞬態(tài)仿真.

圖6 仿真模型校準結(jié)果Fig.6.Calibration of the simulation model.

除非有特殊說明,本模型中采用的參數(shù)如下:將極化效應(yīng)等效為位于材料界面的固定電荷,即位于AlGaN勢壘層與GaN緩沖層界面處的正極化電荷(面密度為9.5×1012cm?2),施主型表面陷阱和受主型體陷阱的能級距離導(dǎo)帶底(Ec)分別為Ed=0.8 eV和Ea=0.5 eV;施主型表面陷阱位于鈍化層和GaN蓋帽層之間的界面,濃度為Nd=9.5×1012cm?2,而受主型體陷阱均勻分布于GaN緩沖層,濃度為Na=1×1017cm?3;假設(shè)電子和空穴的俘獲面積均為σn,p=1×10?15cm2,柵電極的肖特基勢壘設(shè)為0.9 eV.考慮到熱電子在體陷阱效應(yīng)中所起的作用,采用流體力學(xué)模型,模型中包含了電子遷移率退化模型(即high field saturation和doping dependence)、復(fù)合模型(即Shockley-Read-Hall,Auger和Radiative)以及熱效應(yīng)模型.

首先,對所建立的器件模型進行校準.圖6給出了仿真得到的直流特性曲線與測試數(shù)據(jù)的對比結(jié)果,可以看出,仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)符合得很好,驗證了模型的正確性.

在進行瞬態(tài)仿真時,器件柵電壓設(shè)置為從靜態(tài)偏置點VgsQ跳變到測試電壓Vgs=0 V或1 V,而漏電壓Vds保持10 V不變.圖7給出了不同柵極靜態(tài)偏置電壓條件下器件的瞬態(tài)仿真結(jié)果,可見當(dāng)器件在時間t=1 ms開啟后,瞬態(tài)電流隨著時間的增加而增大,直至達到一個穩(wěn)定電流值,而且瞬態(tài)電流依賴于柵極靜態(tài)偏置電壓,如圖7(a).在此,電流崩塌定義為穩(wěn)定電流值與t=1 ms處的初始電流值之差,從而得到電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓的依賴關(guān)系,如圖7(b)所示.可以看出,仿真得到的電流崩塌隨柵極靜態(tài)偏置電壓的變化結(jié)果與測試結(jié)果具有類似的非單調(diào)變化趨勢.

圖7 器件瞬態(tài)仿真結(jié)果 (a)瞬態(tài)電流;(b)電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓的關(guān)系Fig.7.The transient simulation results:(a)Transient currents;(b)current collapse as a function of gate quiescent bias voltage.

圖8 電子填充陷阱分布圖 (a)VgsQ=?8 V;(b)VgsQ=?5 V;(b)VgsQ=?4 V;(d)VgsQ=?2 VFig.8.The trap occupation pro file:(a)VgsQ=?8 V;(b)VgsQ=?5 V;(c)VgsQ=?4 V;(d)VgsQ=?2 V.

如之前所述,電流崩塌與柵極靜態(tài)偏置電壓的非單調(diào)變化關(guān)系是柵漏電注入陷阱機制和熱電子注入陷阱機制兩者共同作用的結(jié)果.仿真得到的電子填充陷阱分布圖可進一步證明這一點.圖8給出了柵壓Vgs開啟為0 V時不同柵極靜態(tài)偏置點器件中電子填充陷阱的分布圖,其中,X軸沿溝道方向,而Y軸與溝道方向垂直.可以看出,從?8 V到?4 V,隨著柵極靜態(tài)偏置電壓的增加,被俘獲的電子增多,但是當(dāng)柵極靜態(tài)偏置電壓繼續(xù)增大時(如VgsQ=?2 V),被俘獲的電子反而減少,這與測試結(jié)果相一致.

4 結(jié) 論

基于脈沖I-V測試和二維數(shù)值瞬態(tài)仿真,對所制備的超短柵長(Lg=80 nm)AlGaN/GaN MOSHEMT的動態(tài)特性進行了深入研究,測試了不同靜態(tài)偏置條件下的脈沖I-V特性曲線,提取出了器件電流崩塌與靜態(tài)偏置電壓之間的依賴關(guān)系,并結(jié)合二維數(shù)值瞬態(tài)仿真和測試結(jié)果,分析了相應(yīng)深能級陷阱效應(yīng)的內(nèi)在物理機制.結(jié)果表明,由于柵漏電注入和熱電子注入兩種陷阱機制共同作用,導(dǎo)致AlGaN/GaN MOSHEMT器件的電流崩塌隨著柵極靜態(tài)偏置電壓的增加呈非單調(diào)變化趨勢.因此,根據(jù)研究結(jié)果推斷,為了進一步抑制電流崩塌,可通過改善柵介質(zhì)的質(zhì)量以減小柵漏電或提高外延材料質(zhì)量以減少缺陷密度等措施達到抑制陷阱效應(yīng)的目的.