自熱效應(yīng)下P-GaNHEMT 的閾值漂移機(jī)理*

匡維哲，周 琦，陳佳瑞，楊 凱，張 波

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054)

1 引言

GaN HEMT 器件憑借其體積小、工作頻率高、輸出功率大等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，P-GaN 柵增強(qiáng)型HEMT 器件（P-GaN HEMT）作為高頻、高功率應(yīng)用中的一種優(yōu)選解決方案，廣受國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的青睞。然而，隨著高集成度、高功率密度成為P-GaN HEMT 器件的發(fā)展趨勢(shì)，更顯著的自熱效應(yīng)引發(fā)的可靠性問(wèn)題已成為制約其發(fā)展的瓶頸。目前，針對(duì)GaN HEMT 器件在高環(huán)境溫度下的可靠性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了廣泛研究，MILLESIMO 等[1]通過(guò)高溫環(huán)境下的柵極應(yīng)力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了溫度與柵極電壓偏置是影響器件柵極經(jīng)時(shí)擊穿（TDGB）特性的關(guān)鍵因素。TALLARICO 等[2]對(duì)比了是否對(duì)柵極金屬層進(jìn)行刻蝕的兩組器件在環(huán)境高溫下的電學(xué)特性，進(jìn)一步指出高溫下柵極金屬肖特基結(jié)的退化現(xiàn)象是器件特性退化的主要原因之一。盡管如此，國(guó)外針對(duì)器件溫度特性的研究大多僅聚焦于外加環(huán)境高溫，對(duì)于器件自熱狀態(tài)下的可靠性問(wèn)題卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，且并未對(duì)器件高溫下的載流子輸運(yùn)機(jī)理歸納出系統(tǒng)的物理模型。本文提出了一種漏極電流注入技術(shù)，研究了器件在自熱狀態(tài)下的可靠性問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)與Sentaurus TCAD 仿真結(jié)果建立了相應(yīng)的物理機(jī)理模型。

2 器件結(jié)構(gòu)及研究原理

本文用于自熱效應(yīng)研究的器件選用商用100 V 肖特基型P-GaN HEMT，器件基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。該器件的柵金屬與P-GaN 層為肖特基接觸，P-GaN 層與AlGaN 層接觸將產(chǎn)生內(nèi)建電勢(shì)，用于提高能帶并耗盡柵下溝道二維電子氣（2DEG）以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，所以一般將其柵極堆疊結(jié)構(gòu)等效為一個(gè)肖特基二極管（SBD）與P-i-N 二極管背靠背串聯(lián)。

圖1 100 V P-GaN HEMT 基本結(jié)構(gòu)[3]

本文所搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖2（a）所示，器件柵極接入一個(gè)直流電壓源提供恒定柵極電壓偏置，控制器件溝道開(kāi)啟狀態(tài)；漏極接入一個(gè)直流電流源為器件注入恒定的電流，使得器件在應(yīng)力階段處于穩(wěn)定的自熱狀態(tài)。此外，熱電偶溫度探測(cè)器用于監(jiān)測(cè)整個(gè)應(yīng)力階段器件的溫度變化；Agilent B1505A 半導(dǎo)體特性分析儀用于器件應(yīng)力前后的典型電學(xué)特性表征。應(yīng)力研究流程如圖2（b）所示。首先，在室溫下完成全部待測(cè)器件（DUT）的初始態(tài)電學(xué)特性表征；然后進(jìn)入應(yīng)力階段，柵極電壓偏置VGS先后分別設(shè)置為3.6 V 與6 V，使DUT 的溝道處于部分開(kāi)啟或全開(kāi)啟狀態(tài)，用以使器件達(dá)到不同的溫度狀態(tài)。同時(shí)，從器件漏極注入5 A的恒定加熱電流IDCI，整個(gè)應(yīng)力過(guò)程共持續(xù)2 h，其目的是讓器件達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)并保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而產(chǎn)生足夠的自熱應(yīng)力。最后，待器件溫度再次冷卻至室溫，對(duì)器件在應(yīng)力過(guò)后的電學(xué)特性進(jìn)行表征。此外，整個(gè)研究過(guò)程熱電偶均始終緊密貼合于器件表面，實(shí)時(shí)反饋器件溫度變化。

圖2 自熱效應(yīng)研究原理

3 研究結(jié)果

3.1 自熱應(yīng)力研究

第一組器件DUT-1 與DUT-2 的自熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)在自然環(huán)境散熱條件下進(jìn)行，其中DUT-1 的VGS=3.6 V，IDCI=5 A；同時(shí)，DUT-2 的VGS=6 V，IDCI與DUT-1 相同。整個(gè)應(yīng)力過(guò)程中器件表面溫度與柵極漏電流IG的變化如圖3（a）（b）所示。器件在此測(cè)試條件下產(chǎn)生了顯著的自熱效應(yīng)，且柵極漏電流隨器件溫度同步增大，并且在溫度達(dá)到最大值時(shí)，柵極漏電流幾乎同時(shí)達(dá)到最大值，且保持穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于DUT-1，由于柵極偏置為3.6 V，2DEG 溝道處于部分開(kāi)啟狀態(tài)，相較于DUT-2 的溝道全開(kāi)啟狀態(tài)有更大的導(dǎo)通電阻，所以在漏極注入同等大小的IDCI后，DUT-1 產(chǎn)生的最高溫度為更高的147 ℃。第一組器件應(yīng)力前后的轉(zhuǎn)移特性表征結(jié)果如圖3（c）（d）所示，所有電學(xué)特性表征均在器件表面溫度穩(wěn)定到室溫后再進(jìn)行。兩器件在應(yīng)力后均呈現(xiàn)明顯的閾值電壓正向漂移現(xiàn)象，并且對(duì)于器件溫度達(dá)到更高的DUT-1，其閾值電壓的漂移量相較于溫度較低的DUT-2 更大，達(dá)到了0.83 V，此程度的閾值正向漂移可能增加實(shí)際功率電路應(yīng)用中額外的開(kāi)關(guān)損耗，降低工作效率，甚至導(dǎo)致電路因工作點(diǎn)異常而失效。

圖3 自然環(huán)境散熱條件下器件特性表征結(jié)果

從圖3 可知，器件閾值電壓的正向漂移量可能與器件應(yīng)力過(guò)程中能達(dá)到的最高溫度密切相關(guān)，且溫度越高，閾值電壓漂移現(xiàn)象越明顯。為進(jìn)一步驗(yàn)證此猜想，改變第二組器件DUT-3 和DUT-4 的散熱環(huán)境，進(jìn)行第二組自熱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究。第二組實(shí)驗(yàn)將DUT-3 和DUT-4 置于恒溫冷板的散熱環(huán)境下，以降低在自熱過(guò)程中器件所能到達(dá)的最高溫度，其余電學(xué)偏置條件均與第一組實(shí)驗(yàn)保持一致。冷板散熱條件下的器件特性表征結(jié)果如圖4 所示。相較于DUT-1 與DUT-2，器件在應(yīng)力過(guò)程中的最高溫度降低了約50%。冷板散熱下，DUT-3 與DUT-4 的閾值電壓漂移量分別為0.23 V與0.11 V。相同電學(xué)偏置條件下應(yīng)力過(guò)程中能達(dá)到的最高溫度更低后，器件的閾值漂移量相較于DUT-1 和DUT-2 均大幅下降。由此可知，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的閾值電壓正向漂移現(xiàn)象主要由自熱過(guò)程中器件能達(dá)到的最高溫度決定，當(dāng)降低器件在此過(guò)程中所能達(dá)到的最高溫度后，閾值電壓的漂移現(xiàn)象能得到顯著的抑制。

圖4 冷板散熱條件下的器件特性表征結(jié)果

3.2 特性恢復(fù)研究

為進(jìn)一步分析器件在自熱過(guò)程中產(chǎn)生的閾值漂移現(xiàn)象是否為永久性退化，并深入分析產(chǎn)生此現(xiàn)象的內(nèi)因及機(jī)理，針對(duì)閾值漂移最顯著的DUT-1 進(jìn)行特性恢復(fù)研究。將器件置于室溫環(huán)境下，每間隔24 h 對(duì)器件的典型電學(xué)特性進(jìn)行表征，監(jiān)測(cè)器件自然恢復(fù)情況，直至器件的恢復(fù)量達(dá)到飽和，再使用恒溫陶瓷夾板對(duì)器件加溫烘烤1 h，觀察器件是否能進(jìn)一步恢復(fù)。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果如圖5 所示，器件轉(zhuǎn)移特性的恢復(fù)呈兩個(gè)階段，在應(yīng)力后到自然恢復(fù)時(shí)間內(nèi)器件轉(zhuǎn)移特性持續(xù)恢復(fù)，直到48 h 后，器件特性不發(fā)生明顯恢復(fù)；對(duì)器件繼續(xù)進(jìn)行200 ℃高溫烘烤1 h 后，轉(zhuǎn)移特性進(jìn)一步恢復(fù)到與初始態(tài)幾乎重合，說(shuō)明器件在應(yīng)力過(guò)程中并未產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)損傷并且此閾值漂移現(xiàn)象具有可恢復(fù)性，此恢復(fù)機(jī)理與P-GaN HEMT 器件內(nèi)部的載流子陷阱的捕獲與釋放機(jī)理相吻合。自然恢復(fù)狀態(tài)下，被較淺能級(jí)位置的受主型陷阱捕獲的電子會(huì)更容易滿足釋放條件，從而使器件轉(zhuǎn)移特性能在室溫下快速恢復(fù)，當(dāng)大部分被淺能級(jí)陷阱捕獲的電子釋放完畢后，特性恢復(fù)將趨于飽和。而更深能級(jí)陷阱所捕獲的電子由于需要更高的激活能才能被陷阱釋放，所以室溫下恢復(fù)十分緩慢，進(jìn)一步的高溫烘烤為陷阱內(nèi)的束縛態(tài)電子提供了足夠的激活能，因此被捕獲的電子能加速釋放使得特性得到進(jìn)一步恢復(fù)，最終恢復(fù)到與初始狀態(tài)相近。

圖5 室溫與高溫下器件轉(zhuǎn)移特性恢復(fù)結(jié)果

4 分析與討論

4.1 結(jié)果分析

根據(jù)圖3、4 可知，整個(gè)應(yīng)力過(guò)程中除溫度上升外，IG隨溫度的上升而上升，并且在溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，IG也幾乎同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，此現(xiàn)象既表明了閾值漂移機(jī)理的溫度相關(guān)性，也進(jìn)一步說(shuō)明器件閾值漂移的產(chǎn)生可能與柵極疊層結(jié)構(gòu)（Metal/P-GaN/AlGaN/GaN）中相關(guān)載流子的輸運(yùn)及陷阱電荷的捕獲與釋放機(jī)制相關(guān)。

應(yīng)力前后的正/反向柵極漏電流的進(jìn)一步研究結(jié)果如圖6 所示。從對(duì)比結(jié)果可知，應(yīng)力前后反向柵極漏電流呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，且自熱溫度越高，其下降量也隨之增大，同樣呈現(xiàn)出與溫度的相關(guān)性，而相較之下，正向柵極漏電幾乎未發(fā)生改變。根據(jù)圖1 所示的柵極等效電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)柵極被施加反向電壓偏置時(shí)，下方的P-i-N 二極管處于反偏阻塞狀態(tài)，而上方的肖特基二極管處于正偏導(dǎo)通狀態(tài)，絕大部分電壓將降落在P-i-N 二極管上，所以柵極反向柵漏電是由P-i-N 二極管的反偏電流主導(dǎo)，進(jìn)一步說(shuō)明陷阱對(duì)電子的捕獲并且其影響了柵極位置處載流子的輸運(yùn)機(jī)制，很大可能發(fā)生于P-GaN/AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)中。所以，反向柵極漏電在應(yīng)力后減小的原因可能是應(yīng)力過(guò)程中的高溫為溝道內(nèi)的2DEG 提供了足夠的能量而溢出溝道，部分電子將被AlGaN 層內(nèi)由于工藝制造中引入的受主型陷阱捕獲，使得AlGaN 層暫時(shí)出現(xiàn)多余的凈負(fù)電荷，從而使AlGaN 層勢(shì)壘高度提高，抑制P-i-N 二極管的反向漏電，導(dǎo)致應(yīng)力后反向柵極漏電流的減小。

圖6 應(yīng)力前后柵極漏電流對(duì)比

為進(jìn)一步探究應(yīng)力后的閾值電壓漂移現(xiàn)象是否存在除柵極載流子輸運(yùn)及陷阱行為外的其他機(jī)制，對(duì)此款100 V P-GaN HEMT 器件進(jìn)行了Sentaurus TCAD 建模與電熱仿真分析，仿真結(jié)果如圖7 所示。仿真設(shè)置柵極偏置條件為3.6 V，溝道部分開(kāi)啟狀態(tài)，單個(gè)P-GaN HEMT 元胞，漏極偏置電流密度為108 mA/mm。仿真最高溫度為160 ℃，考慮到器件結(jié)溫與殼溫的測(cè)量差異，此仿真溫度接近于自熱應(yīng)力測(cè)試階段實(shí)測(cè)溫度。該器件在此自熱應(yīng)力下會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)熱點(diǎn)，其中一個(gè)出現(xiàn)在靠近漏極一側(cè)的柵極邊緣，另一個(gè)出現(xiàn)在第一層源場(chǎng)板（S-Field Plate 1）的邊緣處，位于柵漏接入?yún)^(qū)域。其電場(chǎng)也存在兩個(gè)峰值，與溫度峰值相對(duì)應(yīng)。這說(shuō)明在此應(yīng)力下，器件可能在柵下與柵漏接入?yún)^(qū)域兩個(gè)位置均存在載流子輸運(yùn)與陷阱行為。第一個(gè)熱點(diǎn)與柵極處的電場(chǎng)峰值以及柵極的電壓偏置共同作用于溝道電子，使電子溢出2DEG 溝道并且部分被AlGaN 層內(nèi)受主型陷阱捕獲；而柵漏接入?yún)^(qū)域的溝道電子在第二個(gè)熱點(diǎn)與場(chǎng)板邊緣的電場(chǎng)峰值作用下，發(fā)生了與柵極區(qū)域相似的陷阱捕獲。由于器件在進(jìn)行初始態(tài)標(biāo)定時(shí)，柵漏區(qū)域可能已存在部分電子被本征的深能級(jí)受主型陷阱捕獲填充，而在高溫烘烤恢復(fù)時(shí)，柵漏接入?yún)^(qū)域內(nèi)被深能級(jí)陷阱捕獲的電子將獲得足夠的激活能而釋放。

圖7 100 V P-GaN HEMT 器件電熱仿真結(jié)果

4.2 機(jī)理模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究及仿真分析結(jié)果建立的自熱效應(yīng)下器件載流子輸運(yùn)及陷阱行為機(jī)理模型如圖8 所示。除柵極區(qū)域分布有相應(yīng)的受主型陷阱外，也會(huì)有部分陷阱分布于柵漏接入?yún)^(qū)，并且該區(qū)域的部分深能級(jí)本征陷阱被電子填充。

圖8 載流子輸運(yùn)及陷阱行為機(jī)理模型

在較低的器件溫度下，有部分電子從自熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱能中獲得足夠的能量從而溢出2DEG 溝道，但由于溫度較低，部分電子并未到達(dá)P-GaN 與AlGaN界面，而被AlGaN 層內(nèi)受主型陷阱捕獲，從而導(dǎo)致P-GaN 層下方存在凈負(fù)電荷，使器件在應(yīng)力后出現(xiàn)DUT-2、DUT-3、DUT-4 所示的相對(duì)較小的閾值電壓正向漂移，并抑制器件反向柵極漏電流。同時(shí)，被陷阱捕獲的電子會(huì)在AlGaN 層內(nèi)形成漏電通路，使得溝道電子更易發(fā)生隧穿而穿過(guò)AlGaN 勢(shì)壘層，被P-GaN 層肖特基結(jié)的空間電荷區(qū)掃入金屬電極而被收集，從而可觀測(cè)到在施加應(yīng)力的過(guò)程中，柵極漏電流呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

在更高器件溫度的條件下，更高的溫度使溝道電子獲得更大的能量，使其能越過(guò)AlGaN 勢(shì)壘層，到達(dá)P-GaN/AlGaN 層界面以及SiN/AlGaN 界面。在柵極邊緣第一熱點(diǎn)及電場(chǎng)的作用下，熱激發(fā)的電子越過(guò)AlGaN 勢(shì)壘，一部分會(huì)被P-GaN/AlGaN 界面存在的界面電子陷阱捕獲，導(dǎo)致更為顯著的閾值電壓的正向漂移；另一部分電子則未被界面陷阱捕獲，而直接越過(guò)AlGaN 勢(shì)壘層并被P-GaN 層內(nèi)的空間電荷區(qū)的電場(chǎng)掃入柵極金屬，從而在應(yīng)力過(guò)程中可觀測(cè)到更加明顯的柵極漏電流增大的現(xiàn)象。同時(shí)，在第一層源場(chǎng)板邊緣的第二熱點(diǎn)與電場(chǎng)的作用下，溝道內(nèi)部分電子向柵漏接入?yún)^(qū)方向溢出，被SiN 鈍化層與AlGaN 層界面的電子陷阱捕獲，這與電熱仿真結(jié)果中的雙電場(chǎng)與溫度峰值出現(xiàn)的位置相對(duì)應(yīng)。

5 總結(jié)

本文從P-GaN HEMT 實(shí)際高功率密度工作狀態(tài)下存在的自熱效應(yīng)出發(fā)，提出了一種開(kāi)態(tài)漏極電流注入技術(shù)，模擬器件自熱狀態(tài)并探究此狀態(tài)下的器件可靠性問(wèn)題。通過(guò)施加不同柵極偏置條件以及改變散熱環(huán)境的實(shí)驗(yàn)方法，控制研究變量，讓器件在應(yīng)力下能達(dá)到不同的溫度，觀測(cè)到了器件閾值電壓顯著的正向漂移現(xiàn)象，并且改變量與自熱過(guò)程中能達(dá)到的最高溫度密切相關(guān)。從應(yīng)力過(guò)程中柵極漏電流的增大與應(yīng)力前后反向柵極漏電流的減小確定了柵極區(qū)域的失效位置為P-GaN/AlGaN/GaN 層所構(gòu)成的P-i-N 二極管區(qū)域。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果，建立了自熱效應(yīng)下器件閾值漂移現(xiàn)象的物理機(jī)理模型，在較低器件溫度下，以溢出溝道的電子被AlGaN 層內(nèi)受主型陷阱的捕獲導(dǎo)致的輔助隧穿以及柵下凈負(fù)電荷增多帶來(lái)的閾值漂移占主導(dǎo)；而在更高器件溫度下，獲得足夠能量后的熱激發(fā)電子除以上機(jī)制外，還將進(jìn)一步越過(guò)AlGaN 勢(shì)壘層被掃入柵金屬電極形成柵極漏電流，并有部分電子被P-GaN/AlGaN 界面陷阱捕獲，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的閾值漂移。本研究結(jié)果進(jìn)一步完善了P-GaN HEMT 自熱效應(yīng)下器件可靠性的理論基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)的可靠性研究及加固工作有重要的參考價(jià)值。