重復短路應力下p-GaN HEMT 器件的閾值電壓退化機制*

伍 振，周 琦，潘超武，楊 寧，張 波

（電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

1 引言

p-GaN HEMT （P-Doped Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor）是實現(xiàn)增強型GaN 功率器件的主流結(jié)構(gòu)之一，p 型摻雜的GaN 所形成的p-GaN 帽層能提高柵下的能帶，將AlGaN/GaN 界面處的2DEG（Two-Dimensional Electron Gas）量子阱提升到費米能級EF以上，從而實現(xiàn)增強型特性[1]。p-GaN HEMT 由于性能、可靠性和成本之間具有良好的平衡，已成為主流的商用GaN 功率器件，并且在快充、激光雷達等領域已獲得應用與認可，同時也在數(shù)據(jù)中心服務器電源、5G 移動通信電源、新能源汽車等新興領域具有巨大應用潛力。

當p-GaN HEMT 器件應用在高壓、高頻開關(guān)電路中時，不可避免地會遭遇短路事件，國內(nèi)外已報道了GaN 功率器件短路相關(guān)的可靠性研究[2-5]，但這些研究大多聚焦于單次及多次短路過程中的波形變化，不同應力條件（VGS、VDD等）對器件短路耐受性的影響以及器件的最終失效模式，而針對器件在短路應力后的退化物理機制以及器件恢復特性的動力學問題還缺乏深入的研究。當器件在實際應用中遭受短路事件時并不完全是破壞性的，器件電學性能的變化會影響高頻、高功率電路系統(tǒng)的性能，比如閾值電壓VTH的正向漂移會增大器件的開關(guān)損耗和導通損耗，導致電路系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率下降，這就需要設計復雜度更高的驅(qū)動電路去補償VTH衰退帶來的影響。

本文利用TCAD 和理論分析首先闡明了短路電流及短路峰值電流下降的機理；通過分階段監(jiān)測重復短路應力后的轉(zhuǎn)移和輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)VTH的漂移量與漏極電流IDsat的退化量依賴于短路次數(shù)和短路應力大?。╒GS），結(jié)合Metal/p-GaN/AlGaN/GaN 異質(zhì)柵能帶理論與器件的動態(tài)恢復特性，揭示了AlGaN 勢壘層陷阱和p-GaN/AlGaN 界面陷阱引起的VTH可恢復性退化機理；此外，在苛刻短路應力條件（VGS=6 V，VDD=60 V） 下，由于柵下高電場激發(fā)熱電子轟擊p-GaN/AlGaN 界面，進而產(chǎn)生了界面缺陷，導致VTH和IDsat的永久退化。

2 實驗平臺與待測器件

2.1 短路測試平臺

短路測試平臺采用ITC57250 短路測試系統(tǒng)，圖1為簡化后的短路測試原理圖。其工作特點如下：函數(shù)發(fā)生器給被測器件（Device Under Test, DUT）的柵極驅(qū)動器提供邏輯信號VPulse，柵極驅(qū)動器控制短路時間tSC和柵源電壓VGS的大??；外加柵電阻RG能夠影響開關(guān)過程中的充放電電流進而影響開關(guān)速度，采用較大的RG可以有效降低開關(guān)速度，從而有效防止開關(guān)過程中的VGS過沖事件，最終避免器件的柵極擊穿問題；漏源電壓VDS與短路電流ID分別用高壓差分探頭與Pearson 電流傳感器探測；LStray為雜散電感，CDC為高壓儲能電容組，用以穩(wěn)定VDS以及提供短路電流ID。

圖1 ITC57250 短路測試系統(tǒng)測試簡化電路

本文采用業(yè)界常用的硬開關(guān)型短路應力方案，即在施加漏極高壓的情況下將柵極打開和關(guān)閉，典型的p-GaN HEMT 器件硬開關(guān)型短路波形如圖2 所示，當VDS與VGS同時存在時，器件既承受很高的VDS，又承受較高的ID，最終實現(xiàn)一次短路測試。

圖2 典型的p-GaN HEMT 器件硬開關(guān)型短路波形

2.2 待測器件

本文選用EPC（Efficient Power Conversion）公司的商用p-GaN HEMT 功率器件為待測器件，圖3（a）為器件的橫截面示意圖。器件的關(guān)鍵電學參數(shù)如下：閾值電壓約為1.3 V，導通電阻約為25 mΩ，脈沖電流為37 A，額定電壓為100 V，柵壓擺幅為-4～6 V。由于該器件的柵金屬與p-GaN 帽層為肖特基接觸（Schottky Contact），故其柵堆疊（Metal/p-GaN/AlGaN/GaN）一般等效為由2 個背靠背的Metal/p-GaN 形成的肖特基二極管D1 和p-GaN/AlGaN/GaN 形成的P-I-N 二極管D2串聯(lián)組成[6]，具體的等效模型如圖3（b）所示。

圖3 100 V p-GaN HEMT 器件

2.3 測試方案

在本研究中需要分階段表征p-GaN HEMT 器件在經(jīng)短路應力后的關(guān)鍵電學特性（轉(zhuǎn)移特性、輸出特性等），為了研究器件在多次短路應力過程中的電學特性退化，防止器件發(fā)生硬性短路失效或燒毀，本文采用了緩解器件失效的短路應力方案（如圖4 所示），將tSC固定為10 μs，短路脈沖間隔固定為5 s，總的短路應力次數(shù)為100 次。將器件在短路應力前記為fresh狀態(tài)并測量fresh 狀態(tài)下的電學特性，在100 次總的短路應力次數(shù)之間，測量第一次、第10 次、第30 次、第60 次以及第100 次短路應力后的電學特性，并記錄電學特性的變化；當100 次短路應力后的電學特性測完后將器件靜置，這時器件將進入恢復階段。

圖4 短路應力與電學特性測試方案

此外，為了更加及時、精確地測量器件的電學性能，利用Keysight B1505A 功率器件分析儀進行電學特性測試。由于ITC57250 與Keysight B1505A 均為插拔式的測試端口，故器件從短路應力結(jié)束后到電學特性測試結(jié)束后的時間間隔將小于60 s，這對電學特性變化的監(jiān)測至關(guān)重要。

3 結(jié)果與討論

3.1 短路波形

對所有測試作必要說明：RG固定為30 Ω，器件的殼溫TCASE固定為25 ℃，若無特殊說明，均參考以上數(shù)值。

本文針對DUT1 采用VGS=6 V、VDD=60 V 的重復短路應力方案，圖5 為該器件的實際短路波形。從圖5可以看出在10 μs 的短路時間內(nèi)，VGS從6.3 V 持續(xù)減小至4.2 V，這是因為在整個短路期間，器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會產(chǎn)生大量功耗，從而導致AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面附近的溝道溫度TJ急劇上升，圖6 是基于Sentaurus-TCAD 仿真的內(nèi)部溫度分布圖。其中柵極區(qū)域正下方TJ的上升將會輔助柵下的電子越過AlGaN勢壘，導致IG增大，從而導致RG的壓降增大，最終器件的VGS呈現(xiàn)下降趨勢。此外，電子遷移率強烈依賴于TJ，其關(guān)系式可簡化為μn（TJ）∝TJ-K，K 為溫度系數(shù)，一般文獻中取為1～2.15[7]，由于短路期間整個橫向方向上的溝道溫度上升，電子遷移率將大大下降。溝道電流I 可簡化為：

圖5 DUT1 的重復短路波形

圖6 器件在短路期間（tSC=1 μs）的內(nèi)部溫度分布（VGS=5 V，VDD=55 V）

式中q 為電子電荷量，n 為電子濃度，μn（TJ）為電子遷移率，E 為電場強度。

由于VDD固定為60 V，故忽略E 的大小變化。根據(jù)式（1）可知，在單個短路應力期間，VGS下降導致2DEG 溝道中的n 下降，TJ的上升導致電子遷移率下降，最終使得ID急劇下降；例如在第一次短路的過程中，ID可從59 A 降至25 A，下降了58%。此外，隨著短路次數(shù)的增加，短路尖峰電流IDpeak呈現(xiàn)下降的趨勢，從第1 次短路的59 A 降至第100 次短路的49 A，這主要與VTH的右漂相關(guān)；因為對于器件的短路事件而言，器件是在較高的VDS和ID共存的飽和區(qū)中工作[8]，VTH的右漂將會導致過驅(qū)動電壓VGS-VTH減小，從而導致飽和區(qū)中的飽和漏電流減小，最終導致IDpeak減小。

3.2 閾值漂移與電流衰退

圖7（a）為DUT1 在fresh 狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移特性曲線以及DUT1 在經(jīng)過1 次、10 次、30 次、60 次以及100次短路應力后的轉(zhuǎn)移特性曲線對比圖，定義VDS=1 V、ID=1 mA 時對應的VGS為VTH，可以發(fā)現(xiàn)隨著短路應力次數(shù)的增加，VTH從1.48 V 持續(xù)右漂至2.13 V 并且有趨于飽和的趨勢，最大漂移量為+0.65 V。圖7（b）為DUT1 在重復短路應力前后的輸出特性曲線（VGS=5 V），器件的IDsat隨著短路次數(shù)的增加而單調(diào)減小至27.88 A。VTH持續(xù)右漂與IDsat持續(xù)下降的現(xiàn)象是相關(guān)聯(lián)的，因為VTH是影響飽和漏電流大小的主要因素之一，VTH右漂將導致IDsat下降[9]。

圖7 DUT1 在重復短路應力前后的關(guān)鍵電學特性

為了研究器件VTH右漂和IDsat衰退的物理機制，本文增加了VGS為4 V、5 V 以及6 V，VDD為60 V 的短路應力條件，為了區(qū)分不同短路應力條件對p-GaN HEMT 器件退化的影響，每一個應力條件對應一顆器件。圖8（a）為DUT1、DUT2 以及DUT3 在重復短路應力后的VTH漂移量，其中第0 個Cycle 對應器件的fresh 狀態(tài)；圖8（b）則對比了各個器件在重復短路應力后的歸一化飽和漏電流，即應力之后的飽和漏電流值ID-SC除以fresh 狀態(tài)下的飽和漏電流值ID-Initial，其中飽和漏電流均從所測的輸出特性曲線（VGS=5 V 和VDS=2 V）中提取。從圖8（a）可知，當短路應力VGS越大時，VTH的漂移量就越多，其中VGS=6 V 時，VTH的最大退化量為+0.65 V；VGS=4 V 時，VTH最大退化量為+0.31 V。與之對應的是圖8（b），飽和漏電流會隨著VGS的增大而加劇退化，當VGS=6 V 時，歸一化的飽和漏電流ID-SC/ID-Initial為0.76；而VGS=4 V 時，歸一化的飽和漏電流ID-SC/ID-Initial為0.91，ID-SC/ID-Initial越小，說明飽和漏電流退化越嚴重。

圖8 DUT1、DUT2 和DUT3 分別在VGS 為6 V、5 V、4 V，VDD=60 V 重復短路應力前后的電學特性變化

如前所述，引起器件飽和漏電流衰退的主要原因之一是VTH右漂，而器件的柵下區(qū)域主導著VTH的變化。本文從p-GaN HEMT 器件的Metal/p-GaN/AlGaN/GaN 柵結(jié)構(gòu)能帶理論出發(fā)并結(jié)合重復短路應力條件，提出如圖9 所示的能帶模型。圖9（a）為器件在無短路應力條件下的柵極結(jié)構(gòu)能帶圖，由于VGS=0 V，故AlGaN/GaN 界面附近的2DEG 量子阱在費米能級EF以上，柵極區(qū)域正下方的溝道中并未積累電子，器件處于關(guān)斷狀態(tài)；其中由Metal/p-GaN 組成的肖特基結(jié)會在靠近p-GaN 一側(cè)形成空間電荷區(qū)（Space Charge Region，SCR）。

圖9 p-GaN HEMT 柵極區(qū)域的能帶以及電荷的動態(tài)轉(zhuǎn)移

器件處于短路應力下（例如VGS=4 V，VDD=60 V）的柵極結(jié)構(gòu)能帶如圖9（b）所示。由于VGS=4 V，大于該器件的VTH，電子準費米能級EFn往上移動并靠近導帶底EC，柵區(qū)域下方的AlGaN/GaN 界面附近的2DEG 量子阱將處于電子準費米能級EFn以下，柵下的溝道中積累電子，器件處于開啟狀態(tài)。由于VGS＞VTH＞0 V，AlGaN層的電子勢壘高度將降低，從而導致柵下的電子勢壘降低，大量溝道電子在熱輔助的作用下將溢出2DEG量子阱從而進入AlGaN 勢壘層；由于EFn上升將使得AlGaN 層的部分陷阱能級以及p-GaN/AlGaN 界面的部分界面陷阱能級低于EFn，而這些陷阱能級將會被溢出到AlGaN 勢壘層的電子所完全填充，即AlGaN 層陷阱以及p-GaN/AlGaN 界面陷阱將俘獲電子，如圖9（b）的過程①所示，這將形成負的空間電荷區(qū)，對2DEG 溝道中的電子形成耗盡作用，導致VTH右漂。此外，未被陷阱俘獲的電子將進入p-GaN 層的中性區(qū)并朝著柵金屬方向自由擴散，如圖9（b）的過程②所示，考慮到p-GaN 層中的電子擴散長度Ln至少為220 nm[10]和p-GaN 層中實際空穴濃度量級為1×1017cm-3[11]，而EPC2051 器件的p-GaN 厚度僅為60～70 nm，故電子在p-GaN 中性區(qū)中發(fā)生復合的概率很小，且極易被靠近金屬一側(cè)的p-GaN 耗盡區(qū)中的電場加速至柵金屬中，即為圖9（b）中的過程③。在短路過程中，由于從2DEG 量子阱溢出到AlGaN 勢壘層的電子特別多并且是一個持續(xù)過程，故經(jīng)歷過程③的電子將越來越多，這與短路過程中IG越來越大是一致的。

3.3 恢復特性及其機理

為了進一步研究陷阱相關(guān)的物理機制，本文選取了2 顆新的器件，重點研究器件的恢復特性，測試方案為：首先測試初始狀態(tài)下的關(guān)鍵電學特性，隨后將各個器件連續(xù)短路100 次后，測試各器件在短路應力后以及靜置恢復5 min、30 min、1 h、2 h、5 h、19 h、19 h 后高溫烘烤(10 min，160 ℃)、144 h、360 h 后的關(guān)鍵電學特性，其中恢復時間（Recovery time）均是相對于應力后的電學特性測試結(jié)束后的時間點而言。

首先采用較弱的應力條件，即VGS=4 V，VDD=60 V，該應力條件對應DUT4；圖10（a）為DUT4 在100 次短路應力后的閾值電壓恢復量，圖10（b）反映了DUT4在100 次應力后的歸一化飽和漏電流恢復特性，其中100 次應力后的測試數(shù)據(jù)點對應恢復時間為零的數(shù)據(jù)點，即△VTH=+0.4 V 和ID-SC/ID-Initial=0.92。通過圖10（a）（b）可以發(fā)現(xiàn)，在100 次應力之后到靜置2 h 這段時間內(nèi)，閾值電壓與飽和漏電流均在持續(xù)恢復；而靜置2 h到5 h 再到19 h 這段時間內(nèi)，器件的VTH幾乎沒有恢復，△VTH穩(wěn)定在+0.2 V，ID-SC/ID-Initial穩(wěn)定在0.95 左右。從圖9（b）可知，VTH右漂主要是由于AlGaN 勢壘層陷阱與p-GaN/AlGaN 界面陷阱俘獲電子引起的，而這些陷阱有著不同的能級位置，能級位置的不同將使得陷阱釋放電子的時間不同，最終影響VTH的恢復快慢；在100 次應力之后到靜置2 h 這段時間內(nèi)，VTH在較短的時間內(nèi)有持續(xù)的恢復量，這很可能與AlGaN 層和p-GaN/AlGaN 界面的淺能級陷阱有關(guān)，比如從p-GaN層擴散到AlGaN 勢壘層的Mg 雜質(zhì)[12]；而深能級陷阱俘獲電子后很難將電子釋放出，會導致VTH長時間難以恢復。器件在靜置2～19 h 這段時間內(nèi)幾乎不會恢復，故本研究將靜置19 h 后的DUT4 進行高溫烘烤，烘烤儀器為陶瓷加熱夾具，以160 ℃的溫度將DUT4烘烤10 min，烘烤結(jié)束后讓器件加速散熱，最后進行電學特性測試，即圖10（a）中ΔVTH=+0.07 V 與圖10（b）中ID-SC/ID-Initial=0.99（左邊點）所對應的點；當高溫烘烤DUT4 后，其閾值電壓與飽和漏電流幾乎完全恢復，這與AlGaN 勢壘層和p-GaN/AlGaN 界面的深能級陷阱有關(guān)，被深能級陷阱所俘獲的電子將會從高溫烘烤中獲取足夠的能量，從而提前被深能級陷阱釋放掉，最終加快了VTH的恢復。

圖10 DUT4 在連續(xù)100 次應力后的動態(tài)恢復過程

其次采用了苛刻的應力條件，即VGS=6 V，VDD=60 V，該應力條件對應DUT5；圖11（a）為DUT5在100 次短路應力后的閾值電壓恢復量，圖11（b）反映了DUT5 在100 次應力后的歸一化飽和漏電流恢復特性?？梢园l(fā)現(xiàn)在100 次應力之后到靜置5 h 這段時間內(nèi)，VTH與ID-SC/ID-Initial都在持續(xù)恢復；而靜置5 h 再到19 h 這段時間內(nèi)，VTH與ID-SC/ID-Initial幾乎沒有恢復。當DUT5 在靜置19 h 后，采用與DUT4 同樣的高溫烘烤方案對DUT5 進行高溫烘烤并記錄烘烤后的測試點，即圖11（a） 中ΔVTH=+0.23 V 與圖11（b）中ID-SC/ID-Initial=0.93 所對應的點，高溫烘烤的確加快了VTH與ID-SC/ID-Initial的恢復，但并未恢復到初始狀態(tài)，故讓DUT5 繼續(xù)靜置恢復。當DUT5 靜置360 h 后，VTH仍沒有恢復到初始狀態(tài)，比初始狀態(tài)下的VTH高0.24 V，ID-SC/ID-Initial也只有0.94。

圖11 DUT5 在連續(xù)100 次應力后的動態(tài)恢復過程

由于在瞬態(tài)開關(guān)過程中，高注入電流和高電場會導致大量高能載流子（熱電子）的產(chǎn)生，常見的硬開關(guān)事件會誘發(fā)熱電子的產(chǎn)生[13]，短路事件比硬開關(guān)事件更為嚴重，短路應力條件具有更高的注入電流、更強的電場以及更長的應力時間，本研究認為在短路過程中產(chǎn)生熱電子的概率較高。當器件處于苛刻的短路應力條件下時（VGS=6 V，VDD=60 V），其異質(zhì)柵能帶如圖12 所示；由于VDD電壓幾乎全降在器件的柵邊緣到漏電極之間，將在器件的柵邊緣附近產(chǎn)生極高的尖峰電場[14]。當大量的電子從源極漂移到漏極時，由于柵邊緣附近存在極高的尖峰電場，途經(jīng)柵極區(qū)域正下方的電子很容易被該處的強場加速成為熱電子，部分熱電子將轟擊p-GaN/AlGaN 界面，造成永久性的缺陷（例如Ga 空位[15]，表現(xiàn)為負電特性），如圖12 的過程②所示，熱電子誘導的p-GaN/AlGaN 界面新缺陷將對柵下2DEG 溝道中的電子形成永久性的耗盡作用，進而導致DUT5 的VTH不可恢復，最終導致IDsat永久退化。

圖12 p-GaN HEMT 在苛刻短路應力條件下的異質(zhì)柵能帶

4 結(jié)論

本文基于重復短路應力條件下器件閾值電壓與導通電流的退化特性及其動態(tài)恢復特性，結(jié)合Metal/p-GaN/AlGaN/GaN 異質(zhì)柵能帶理論，發(fā)現(xiàn)并分析了p-GaN HEMT 器件閾值電壓VTH的可恢復性退化與永久性退化的機理。當器件處于較弱的短路應力下時，能級位于EFn以下的AlGaN 勢壘層陷阱與p-GaN/AlGaN 界面陷阱將被溢出2DEG 量子阱的電子所填充，造成VTH的可恢復性退化。然而，器件處于苛刻的短路應力下時（VGS=6 V，VDD=60 V），溝道電子數(shù)量倍增和AlGaN 電子勢壘進一步下降將導致電子溢出更為嚴重，部分電子被柵邊緣的尖峰電場加速成為熱電子進而轟擊p-GaN/AlGaN界面，形成界面缺陷（比如Ga 空位），造成VTH的永久退化（ΔVTH=+0.24 V），最終導致IDsat不可恢復。本文對評估當前主流的p-GaN HEMT 器件的安全工作能力具有參考價值，對進一步提高器件的可靠性具有指導意義。