高場(chǎng)應(yīng)力下晶格匹配 In0.17Al0.83N/GaN HEMT退化研究

(淮陰師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223300)

相較于傳統(tǒng)窄禁帶半導(dǎo)體器件，由寬禁帶半導(dǎo)體GaN制備的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)適合在高溫、高壓與高頻等極端環(huán)境下工作[1-3]。隨著材料生長(zhǎng)和微加工技術(shù)的發(fā)展，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的性能不斷獲得突破。但是，由于AlGaN與GaN材料之間存在較大的晶格失配，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中存在逆壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電應(yīng)力達(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，造成器件損壞[4-5]。為了消除逆壓電效應(yīng)，在GaN襯底上直接生長(zhǎng)與其晶格匹配的In0.17Al0.83N外延層的方法被提出[6]。該方法另一大優(yōu)勢(shì)是InAlN勢(shì)壘層較強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)，能夠提供更高的二維電子氣濃度，使得晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)結(jié)在微波和高頻應(yīng)用方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?，也成為近年?lái)研究的熱點(diǎn)[7-8]。盡管InAlN和GaN勢(shì)壘層不存在逆壓電效應(yīng)，但是InAlN材料生長(zhǎng)質(zhì)量還不高，器件可靠性仍然面臨一定的威脅。在本文中，一種由InAlN勢(shì)壘層高缺陷密度引起的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT退化被發(fā)現(xiàn)，該退化主要引起器件的飽和漏電流(IDsat)和跨導(dǎo)峰值(gm)降低，并使閾值電壓發(fā)生正向漂移。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，該退化是由溝道熱電子的俘獲和去俘獲過(guò)程導(dǎo)致的。

1 器件制備與測(cè)試

圖1(a)和圖1(b)所示分別為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖和器件平面照片。其中，GaN外延片(約3 μm)是通過(guò)金屬有機(jī)化合物氣相沉積法(MOCVD)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的。In0.17Al0.83N/GaN異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)主要包括3 μm非摻雜GaN層、18 nm非摻雜In0.17Al0.83N勢(shì)壘層、1 nm AlN隔離層和150 nm SiN鈍化層。器件的歐姆接觸采用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ti/Au后在800℃氮?dú)庵锌焖贌嵬嘶?0 s獲得，柵肖特基接觸采用電子束蒸發(fā)Pt/Au(50/300 nm)形成。器件柵長(zhǎng)為100 μm，柵寬為200 μm，柵極處于源漏電極中央，柵源和柵漏間距均為5 μm。

圖1 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT:(a)結(jié)構(gòu)示意圖和(b)器件平面照片F(xiàn)ig.1 Lattice matched In0.17Al0.83N/GaN HEMT:(a)structural schematic diagram and(b)optical micrograph

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先，對(duì)器件基本電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，其中，擊穿電壓約為42 V，閾值電壓(VTH)約為4.5 V，跨導(dǎo)峰值(gm)約為0.05 S，飽和漏電流(IDsat)約為0.23 A。

圖2所示為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT器件在不同源漏應(yīng)力 (VDS)前后輸出特性曲線，其中圖2(a)和圖2(b)為VDS=10 V(VG=0 V)前后的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線，圖2(c)和圖2(d)為VDS=20 V(VG=0 V)前后的輸出和轉(zhuǎn)移特性曲線，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間分別為900，1800和3600 s，輸出特性柵壓由-3 V至0 V(反向)，測(cè)試間隔1 V，轉(zhuǎn)移特性測(cè)試電壓為VDS=6 V?？梢钥闯?，持續(xù)VDS應(yīng)力使HEMT器件的輸出和轉(zhuǎn)移特性產(chǎn)生退化，主要表現(xiàn)為IDsat和gm峰值降低，閾值電壓發(fā)生正向漂移。通過(guò)比較VDS=10 V和VDS=20 V應(yīng)力下的退化程度，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力越高，退化程度越明顯。根據(jù)圖2(a)和2(b)，計(jì)算經(jīng)過(guò)3600 s的10 V源漏應(yīng)力后，IDsat下降了約5.8%，gm下降了約4.4%。根據(jù)圖2(c)和2(d)，20 V源漏應(yīng)力后，IDsat下降了約11.3%，gm峰值下降了約11%。當(dāng)應(yīng)力時(shí)間超過(guò)3600 s后，基本不再退化。綜上可知，-10 V源漏應(yīng)力對(duì)器件輸出和轉(zhuǎn)移特性影響相對(duì)較小，但-20 V源漏應(yīng)力對(duì)器件性能產(chǎn)生了明顯的影響。為了提高晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT工作的可靠性，分析源漏應(yīng)力后器件性能退化的具體機(jī)理很有必要。

在GaN基HEMT中，器件退化主要與大信號(hào)工作狀態(tài)的強(qiáng)電場(chǎng)有關(guān)，通常情況下，失效機(jī)理主要有溝道熱電子注入、逆壓電效應(yīng)和柵極電子注入等[9]。由于晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT異質(zhì)界面實(shí)現(xiàn)晶格匹配，避免了壓電應(yīng)力，因此基本可以忽略逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的影響。為了判斷溝道熱電子注入和柵極熱電子注入對(duì)器件退化的影響，分別在源端懸空和柵端懸空的情況下對(duì)器件施加應(yīng)力(懸空指該端不接探針)。源端懸空時(shí)，應(yīng)力條件為VD=20 V，VG=0 V;柵端懸空時(shí)，應(yīng)力條件為VD=20 V，VS=0 V。在相同時(shí)間高場(chǎng)應(yīng)力后，對(duì)器件轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行測(cè)試。圖3所示分別為(a)源端懸空和(b)柵端懸空下，應(yīng)力前后測(cè)得的HEMT轉(zhuǎn)移特性，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間分別為900，1800和3600 s?？梢钥闯?，源端懸空后，器件轉(zhuǎn)移特性退化相對(duì)較小，而柵端懸空后，器件轉(zhuǎn)移特性仍然發(fā)生明顯退化。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)源端懸空3600 s時(shí)，IDsat下降了約4.8%，VTH漂移約5.7%;然而當(dāng)柵端懸空時(shí)，IDsat下降了約23.3%，VTH漂移約20.8%。比較這兩種不同應(yīng)力下的退化，不難確定退化過(guò)程中，電子主要是來(lái)源于溝道碰撞電離產(chǎn)生的熱電子。

圖2 不同源漏應(yīng)力下的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性退化:(a)10 V前后的輸出特性;(b)10 V前后的轉(zhuǎn)移特性;(c)20 V前后的輸出特性;(d)20 V前后的轉(zhuǎn)移特性Fig.2 Degradation of output characteristics and transfer characteristics under different source-drain stresses:(a)output characteristics after 10 V;(b)transfer characteristics after 10 V;(c)output characteristics after 20 V;(d)transfer characteristics after 20 V

圖3 轉(zhuǎn)移特性退化:(a)源端懸空;(b)柵端懸空Fig.3 Degradation of transfer characteristics:(a)source floating;(b)gate floating

溝道熱電子注入過(guò)程中，退化通常和材料中存在的缺陷有關(guān)，下面將分析究竟哪種缺陷在退化過(guò)程中起主要作用。高場(chǎng)應(yīng)力后，在晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT中可能影響器件退化的因素主要有以下幾個(gè):InAlN勢(shì)壘層陷阱;表面態(tài);異質(zhì)結(jié)界面態(tài)[10]。其中，只有InAlN勢(shì)壘層的陷阱才能明顯影響VTH，而由異質(zhì)結(jié)界面態(tài)缺陷引起的退化，通常是不可恢復(fù)退化。

為了分析參與退化的主要缺陷，對(duì)器件施加源漏20 V應(yīng)力(VG=0 V)，持續(xù)時(shí)間1800 s，然后撤掉源漏應(yīng)力并將已退化樣品放置一段時(shí)間后，測(cè)得的轉(zhuǎn)移特性和恢復(fù)特性曲線如圖4所示。其中，黑色實(shí)線為應(yīng)力前器件轉(zhuǎn)移特性，紅色虛線為應(yīng)力后轉(zhuǎn)移特性，黑色虛線為恢復(fù)轉(zhuǎn)移特性?？梢园l(fā)現(xiàn)，器件轉(zhuǎn)移特性完全恢復(fù)了，表明該退化是可恢復(fù)的。由于異質(zhì)結(jié)界面態(tài)引起的退化往往是永久退化，所以可以排除界面態(tài)的影響。另外，由于只有InAlN勢(shì)壘層的陷阱才能明顯影響VTH，而表面態(tài)對(duì)其幾乎沒(méi)有影響，考慮到退化過(guò)程中VTH也會(huì)退化，因此柵下InAlN勢(shì)壘層的陷阱是退化主要原因。另有研究表明，填充表面態(tài)的電子大多來(lái)自柵電子[11]，而本退化中，退化主要與溝道熱電子相關(guān)，因此表面態(tài)參與退化的可能性較小。

圖4 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的轉(zhuǎn)移特性和恢復(fù)特性曲線Fig.4 Transfer characteristics and recovery characteristics of lattice matched In0.17Al0.83N/GaN HEMT

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出由溝道熱電子填充InAlN勢(shì)壘層缺陷的退化物理機(jī)制可用以解釋晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的退化。當(dāng)給器件施加一個(gè)較大的源漏應(yīng)力，由于橫向電場(chǎng)加速，溝道中大量熱電子形成源漏電流。由于InAlN勢(shì)壘層中存在高密度缺陷，應(yīng)力持續(xù)過(guò)程中，溝道熱電子逐漸被InAlN勢(shì)壘層缺陷俘獲，導(dǎo)致IDsat和gm降低。當(dāng)材料中大部分固有缺陷均俘獲電子，器件逐漸不再退化。當(dāng)器件源漏應(yīng)力被撤去以后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，被缺陷俘獲的電子被釋放，器件性能逐漸恢復(fù)。因此該退化過(guò)程，可認(rèn)為是一個(gè)溝道熱電子被缺陷俘獲和去俘獲過(guò)程。該退化現(xiàn)象，對(duì)晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT工作的可靠性和穩(wěn)定性都有影響，為了抑制該退化產(chǎn)生的影響，提高InAlN勢(shì)壘層質(zhì)量，降低InAlN勢(shì)壘層缺陷密度將是抑制該退化的重要途徑。

3 結(jié)論

本文首先制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT，然后基于源漏應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)VDS較高時(shí)，器件IDsat和gm出現(xiàn)明顯降低，VTH正向漂移。根據(jù)源、柵懸空退化比較和退化恢復(fù)特性，提出一個(gè)由InAlN勢(shì)壘層缺陷俘獲溝道熱電子導(dǎo)致退化的機(jī)制，該機(jī)制有助于提高器件工作可靠性和商業(yè)化應(yīng)用。