有色金属材料与工程  2024, Vol. 45 Issue (2): 46-54    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.20220322002   PDF    
GaN基高电子迁移率晶体管器件的可靠性及退化机制研究进展
黄玲钰, 修慧欣    
上海理工大学 材料与化学学院, 上海 200093
摘要:GaN基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件在航天、通讯、雷达、电动汽车等领域具有广泛的应用,近年来成为电力电子器件的研究热点。在实际应用中,GaN基HEMT器件随着使用时间的延长会发生退化甚至失效的情况,器件的可靠性问题仍是进一步提高HEMT器件应用的绊脚石。因此,研究器件的可靠性及退化机制对于进一步优化器件性能具有极其重要的意义。将从影响器件可靠性的几个关键因素如高电场应力、高温存储、高温电场和重离子辐照等进行阐述,主要对近几年文献里报道的几种失效机制及相应的失效现象进行了综述和总结,最后讨论了进一步优化器件可靠性的措施,对进一步提高HEMT器件的应用起促进作用。
关键词GaN    高电子迁移率晶体管    可靠性    退化    
Research progress on reliability and degradation mechanisms of GaN-based high electron mobility transistor devices
HUANG Lingyu, XIU Huixin    
School of Materials and Chemistry, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: GaN-based high electron mobility transistor (HEMT) devices have been widely used in aerospace, communications, radar, electric vehicles and other fields, and have become a research hotspot in power electronic devices in recent years. In practical applications, GaN-based HEMT devices may suffer from degradations or even failures, and the reliability is still a stumbling block for further development. Therefore, it is critical to study the reliability and degradation mechanisms of the devices for further optimizing their performances. In this paper, several key factors which affect reliability of the devices, such as high field stress, high temperature storage, high temperature and high field, and heavy ion irradiation are described, and several failure mechanisms and corresponding failure phenomena are summarized. Finally, measures to further optimize the reliability of the devices are discussed, which can promote the applications of HEMT devices.
Key words: GaN    high electron mobility transistor    reliability    degradation    

GaN是继Si、GaAs之后的第三代半导体材料。与Si相比,具有禁带宽度(3.4 eV)大、电子迁移率(1 500 cm2/(V·s))高、临界击穿电场(3.3 MV/cm)高、相对介电常数(9)小等优异特性,成为制备高功率器件、高频率器件及高效率光电器件的理想材料[1]。因此GaN材料制备的高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)器件在大功率、高频率、高击穿场强等航天、通讯、雷达等领域有着宽广的应用前景[2-5]

随着加工技术的发展,GaN基HEMT的结构越来越复杂,使可靠性问题则成为发展之路的主要障碍[6]。且GaN基HEMT器件在大电场、高温、电子辐照的情况下,器件会发生退化或永久失效的情况。因此,研究失效分析是提高半导体器件可靠性的前提和基础[7]

近些年,随着器件可靠性问题的凸显,国内外很多研究机构以及高校都在研究器件的退化及失效机制。本文将从影响GaN 基HEMT器件的可靠性机制,对近几年几种失效机制及相应的失效现象进行综述和总结,最后讨论优化器件的方法。

1 器件存在的可靠性问题

虽然GaN基HEMT器件在微波射频领域具有领先地位,但是GaN材料因其独特的二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)结构使得器件在可靠性问题上面临一些新的问题。而且,器件在结构、加工工艺以及材料生长方面均面临许多制约的因素。器件可靠性问题包括很多,有电场可靠性问题、温度可靠性问题、辐照可靠性问题等。影响器件的可靠性的机制(见图1)可分为3类:(i)由热电子引起的退化机制,包括在钝化层SiN层或半导体材料中的电子捕获,以及晶格缺陷的产生。(ii)由退化机制影响的AlGaN/GaN异质结构的性能,即由于反向偏压导致栅极边缘的退化,在高应力条件下,缺陷的产生。(iii)热激活退化机制,其中包括金属互连退化、欧姆接触退化、栅极金属退化和钝化的分层[8]。其中,电学可靠性问题是目前研究比较多的一个可靠性问题,影响GaN基HEMT器件的电场可靠性问题的机制(见图2)有:金属接触不稳定、电子捕获、热电子注入、逆压电效应等[9]

图 1 影响GaN基HEMT可靠性的主要机制示意图[8] Fig. 1 Schematic diagram of the main mechanisms affecting the reliability of GaN-based [8]

图 2 GaN基HEMT器件的电场可靠性问题的机制示意图[9] Fig. 2 Schematic diagram of the mechanism for electric field reliability problems of GaN-based HEMT[9]
2 退化机制分析 2.1 电场退化现象及退化机制分析

GaN基HEMT器件在高电场作用下的退化是大家最常研究的课题,常见的问题有电流崩塌、自热效应、kink效应等。2017年,Moultif等[10]使用光子发射特征光谱对AlGaN/GaN基HEMT的缺陷进行定位和分析。在关态下给漏极加大电势,栅极电流的增加对应光子发射(photon emission,PE)图象发光点的产生,加大电场使得器件存在漏电传导的路径。当将漏极电势增加到50 V时,漏电也会增加,PE发光点更突出。栅漏电流的增加与半导体材料或金属−半导体界面上的缺陷产生的离散且局部化的电流注入或热点有关。同年,Tajalli等[11]对GaN基功率金属−绝缘体−半导体(metal-insulator-semiconductor,MIS)结构的HEMT的场致和热电子诱导退化进行研究。(1)在低漏源极电压(drain-source voltage,VDS)情况下器件发生应力场依赖退化,在栅−源极电压(gate-source voltage,VGS)<5 V时,阈值电势(threshold voltage,Vth)有小的变化,VGS>5 V时,Vth有显著地增加。其结果是电子从2DEG注入到SiN绝缘层被捕获。(2)在高VDS情况下器件发生热电子退化,在高VDS (>50 V)下,当VGS在−10~0 V之间时,样品的Vth出现了额外的、非单调性的增加。对于−10 V<VGS<0 V,场致发光(electro luminescences,EL)曲线呈钟形。当VGS超过Vth,EL随着沟道电子数量的增加而增加。对于更高的VGS(−6 V<VGS<0 V),EL随着界面散射(热电子被吸引更靠近界面)和器件温度(更高的温度导致更强的晶格散射,平均自由程减小,热电子平均能量降低)增加而降低。2018年,Mazumdar等[12]研究逆压电效应下AlGaN/GaN基HEMT纳米裂纹的形成。在AlGaN/GaN基HEMT中,高电场应力下的退化,当电势超过临界电势时,开始发生不可逆的退化。如图3所示,在高电势作用下,晶体管的栅极边缘出现了较大的电场,从而引起晶体管内部的高机械应力。由于AlGaN在GaN上的晶格失配,使得其产生大的拉伸应变,施加高电势后,晶体中储存了一定的弹性势能。如果储存的能量超过临界值,晶体就会发生机械变形。裂纹的形成可以根据格里菲斯(Griffith)的脆性断裂理论来描述,当释放的弹性势能与产生新裂纹所需的能量相等时,裂纹就会形成。2019年,Gao等[13]研究正栅偏置应力对AlGaN/GaN基HEMT漏电的影响,观察到在应力过程中器件随着栅极漏电的增加而退化,退化与肖特基势垒高度的降低有关。退化的物理原因是由AlGaN/Ni栅极界面上的局部碳残渣引起的,在应力过程中,随着栅极电势的增大,碳残渣被碳化,这导致碳向Ni层迁移。一旦碳迁移到Ni时,在栅极处的肖特基势垒高度局部减少而漏电流增加。2020年,Canato等[14]研究了 GaN基HEMT在关态下的捕获现象:栅极捕获、受主电离和正电荷再分布之间的相互作用。当漏极偏置电势下降时,一部分负电荷仍然储存在p-GaN层,因为肖特基结是反向偏置的,电荷再分布是相对缓慢的过程,导致Vth正向漂移。另一种解释可能是在势垒层中的电子捕获。2021年,Gao等[15]对110 nm AlN/GaN HEMT的短期可靠性和稳健性进行评估,通过对不同栅漏距离(gate-drain length,LGD)的器件采用关态、半开态和开态阶梯式应力测试。得出的结论是退化不取决于耗散的功率,而初步归因于热电子俘获,电场增强。

图 3 逆压电效应示意图[12] Fig. 3 Schematic diagram of the inverse piezoelectric effect[12]
2.2 温度退化现象及机制分析

与温度相关的霍尔结果表明,当温度超过一定值时,由于声子散射和载流子热逃逸,2DEG的迁移率和载流子浓度都会急剧下降,导致HEMT器件退化[16]。2017年,Lee等[17]研究了AlGaN/GaN基HEMT的高温存储测试以及其对热稳定性和电性的影响。实验采用阶梯式的温度存储方式,随着温度的升高,器件的电性能发生了显著的变化,漏极电流和跨导呈逐渐减小的趋势,此外Vth正向漂移,泄漏电流显著减小。高温储存后电流崩塌主要是与栅漏和栅源区域形成的表面陷阱有关。阈值电势与肖特基接触材料有关。由于阈值电势主要依赖于栅极接触的物理状态,电参数的退化可能意味着栅极区域发生了物理变化。2018年,Jabbari等[18]研究SiC基Al0.22Ga0.78N/GaN HEMT 电容−深能级瞬态光谱(capacitance-deep level transient spectroscopy,C-DLTS)界面缺陷:E2陷阱的空间位置。主要是用电容−电势−温度(capacitance-voltage-temperature,C-V-T)和DLTS方法研究SiC基AlGaN/GaN基HEMT,电容下降,特别在低温下,它与AlGaN/GaN异质结界面区2DEG的总损耗有关。随着温度升高,电容朝负电势减缓,这种行为主要是由在高温下栅极漏电增加,在势垒层中载流子积累从而减缓2DEG损耗效应。同年,Dammann等[19]比较100 nm T型栅极( T-gate)和SiN辅助栅(silicon nitride assisted gate,SAG-gate)的AlGaN/GaN基HEMT可靠性。直流应力下沟道温度242 ℃、600 h下,T-gate具有8栅指的器件退化了22%,在关态下栅极漏电增加了2倍。如图4中,图(c)和图(f)在开态(以及图(a)和图(d)在关态)下由于应力的作用,最下面两个栅指变暗了。在关态和靠近阈值电势下EL强度增大,相同的两个栅指出现局部夹断的现象。图4(f)中3个位置的透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)薄片栅指如图5所示,在栅极靠近漏极的位置2处,低EL强度形成了深度为2 nm的凹陷坑。在EL高强度下位置1和3没有凹陷坑。凹陷坑的形成是导致饱和电流降低的主要退化机制。同年,Chihani等[20]研究不同的电势和温度应力下AlGaN/GaN基HEMT的高温反向偏置(high temperature reverse bias,HTRB)寿命测试的影响。在高温反向偏置−电势(high temperature reverse bias-voltage,HTRB-V)和高温反向偏置−温度(high temperature reverse bias - temperature,HTRB-T)两种模式下的高温反向偏置实验下,HTRB-V下的栅源阈值电势(gate source threshold voltage,VGSTH)没有明显变化,在温度超过150 ℃老化的HTRB-T阶梯式应力下,VGSTH明显增加了。2019年,Liang等[21]研究Si (111)衬底上超薄InAlN/GaN基HEMT的陷阱辅助隧穿电流特性。实验中器件的反向栅漏电流随着温度和反向偏置电势的增加而增加。实验中用与温度相关的机制,如热离子发射(thermionic emission,TE),Poole-Frenkel发射(Poole-Frenkel,PF)和陷阱辅助隧穿(trap-assisted tunneling,TAT) 3种机制研究InAlN/GaN基HEMT样品的反向漏电流。两种样品在有和没有N2等离子体表面处理的情况下均存在高电场导致的较大漏电流,电子通过肖特基势垒的隧穿。基于实验漏电机制分析,大范围的反向偏置 (reverse voltage,VR ) (−30V<VR<0V)和温度在237~473 K之间,两种样品的主要漏电流均为TAT机制。2020年,Bouchour等[22]估算基于实验表征的GaN HEMT功率开关损耗。随着温度的增加,导通电阻(drain-source on-resistance,RDS(on))增加了,跨导减少了。漏极电流的减小伴随着阈值电势的微小负移。阈值电势与温度的这种变化已经在文献[23]中得到证实。根据文献[24],器件温度升高时RDS(on)的升高主要是因为沟道内电子迁移率和电子速度降低。在文献[25]中,有效电子速度的温度依赖性远小于沟道中电子迁移率的温度依赖性。2021年,Liu等[26]研究490 mA/mm的漏极电流和1.9 V的阈值电势增强模式p-GaN HEMTs和高温特性。在温度依赖性的转移和跨导特性中,Vth变温时几乎不漂移,稳定性好。随着温度的升高,漏−源极间的电流(drain-source current,IDS)和跨导减小,这是由于散射增强导致电子迁移率降低所致[27]。同时,实验中p-GaN HEMT表现出独特的双峰跨导特性,这表明p-GaN孔洞注入沟道会导致第二个跨导峰出现[28]。随着温度的升高,C-V曲线的峰值减小,上升斜率发生变化。测得的电容与沟道电阻有关,随着沟道电阻的增大,电容减小[29]。当温度升高时,电子迁移率降低,沟道电阻增加,导致电容降低。

图 4 应力前后8-栅指T-gate晶圆的放大的EL图[19] Fig. 4 EL images of 8-finger single stage amplifier from wafer before and after stress [19]

图 5 图4(f)所示位置晶圆的肖特基接触处的TEM截面图[19] Fig. 5 TEM cross-sections of the Schottky contact of the wafer at the locations indicated in Fig. 4(f )[19]
2.3 辐照退化现象及退化机制分析

辐射会在GaN器件中引入空位、间隙原子以及一些络合物等辐射缺陷[30-31],严重影响器件的性能。2017年,Poling等[32]进行商业化AlGaN/GaN基HEMT器件在重离子辐照下的可靠性研究。在重离子Ne、Si和Ar辐照下,器件直流特性没有变化。但随着温度升高,重离子辐照的器件比没有辐照的器件有了不同程度的退化,表明器件在重离子暴露下对长期可靠性产生了复杂的影响。2018年,Hu等[33]采用不同强度的快速重离子辐照AlGaN/GaN基HEMT器件,在器件内发现退化轨迹。在辐照后器件的转移特性有显著变化,Vth增加,因此,在1540-MeV209Bi离子辐照下,器件的Vth增加了85%,而漏极电流下降到初始值的1%。在2 300-MeV129Xe离子辐照的器件中也观察到类似的现象。从相应的辐照参数来看,电学性能的退化与入射离子的(dE/dx)密切相关。辐照诱导缺陷和紊乱导致了载流子迁移率和载流子密度的降低从而导致器件退化。2019年,Islam等[34]研究重离子辐照对关态下AlGaN/GaN基HEMT器件的影响。实验结果表明,Au4+等重离子可以在器件层中产生大量的空位、间隙和位错等缺陷。这些缺陷在器件层中扮演电荷陷阱的角色,产生的电荷积累降低了击穿电势。用连续的能量色散X射线光谱图可以在实验中追踪单个的化学元素,并且结果表明,器件层的退化可能是由O和N空位引起的。2020年,Qi等[35]研究X射线辐照分别对p-GaN 和MIS结构的AlGaN/GaN基HEMT器件的阈值电势的影响。在实验中,以100 rad/s的正常剂量率对GaN器件的上表面进行X射线照射,累积剂量从100 krad到200 krad不等,以研究对器件A(p-GaN)和器件B(MIS-HEMT)电参数的影响,没有明显的漏极电流衰减和阈值电势漂移,而阈值电势在正方向上有轻微漂移,可归因于类受主陷阱。当存在外延层,高密度的H+污染可以降低外延生长过程中受体杂质的激活速率。在高能X射线照射下,失活的受体杂质(Mg2+)可以被激活,从而导致阈值电势漂移。对GaN基HEMT的高强度辐照的一种解释是,GaN材料本身缺陷,以致辐照产生更多的缺陷几乎对器件性能没有影响[36],另一种解释是,GaN原子漂移的阈值高于其他III-V材料(如GaAs)的,因此可以漂移的原子相对较少[37]。漏极电流随照射剂量(从100 krad增加到200 krad)的增加而增加,这可归因于在X射线辐照下二维电子气体密度的增加,退火1 h后该值会返回到较低的水平。在X射线辐照过程中,能量从入射粒子转移到价带中的电子,使其上升到导带,在价带中产生相应的空穴,产生电子−空穴对(电离)[38]。电子−空穴对的密度受样品质量和掺杂水平的影响。2021年,Tang等[39]利用γ射线辐照GaN功率HEMT器件研究其无线功率传输的稳定性。器件在100 kGy γ射线辐照后,漏极电流增加了8.34%,栅极下降了−7.79%,这表明辐照后GaN器件的性能得到了改善。另一方面,导通电阻降低了,这意味着辐照后GaN器件可以改善导通损失。γ射线照射后漏极电流增加的可能原因可以由两个因素来区分。首先,之前工作有γ射线辐照过程中N空位的产生,X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)分析结果证实了N含量的降低。N空位在导电沟道中作为供体提供电子。另外,部分退火效应可以提高GaN器件沟道迁移率,是由于表面的化学重组结构和接触层的原因[40-41]

3 改善器件退化的措施 3.1 利用场板结构提高器件可靠性

场板通常指的是和器件电极形成金属连接的金属板,通常场板结构有源场板、栅场板、漏场板、浮空场板以及结场板。2017年,Ma等[42]在研究倾斜三栅结构,发现其可以提高横向GaN器件的电势阻塞性能,为电场分布的工程设计提供了一个新的自由度。同年,Nirmal等[43]在栅极层的顶部加一个场板,减少了高漏极电压时漏极电流崩塌。Wu等[44]研究场板技术对GaN基HEMT功率器件的可靠性,得出场板结构减小了器件中的电场峰值和界面陷阱,产生了更高的击穿电势,更低的泄漏电流,使电流崩塌更小,从而使阈值电势控制得更好。2018年,Kwak等[45]通过研究 AlGaN/GaN基HEMT的热分析以及基于源桥场板结构(source-bridged field-plate,SBFP)晶体管的射频功率效率优化,从中分析得到,利用场板技术可以实现峰值电场的重新分布和沟道温度的控制。SBFP在大功率、高温情况下,其结构的最高温度低于T型栅极结构,还可以优化漏极侧栅极边缘与SBFP之间的距离,以提高器件的击穿电势。Rossetto等[46]证明,随着场板长度的减小,由于场板边缘离欧姆接触更远,突变失效稳定性显著提高。

3.2 通过淀积钝化层提高器件可靠性

钝化层是在器件的表面沉积薄膜介质形成的一种保护层。2017年,Liu等[47]比较有无钝化层的AlGaN/GaN 金属−氧化物−半导体(metal oxide semiconductor,MOS)HEMT的电性输运和压电效应,得出结论:在直流特性上,有钝化层SiO2层的性能要优于没有钝化层的HEMT。钝化层SiO2在增大饱和漏极电流和减小栅极泄露电流时是很有效的栅极介质。2018年,Kim等[48]用等离子增强化学气相沉积SiO2栅极氧化物介质的Si基AlGaN/GaN基MOS-HEMT凹槽栅进行时间依赖性的介质击穿研究。通常器件是常关器件,随着SiO2薄膜厚度的增加,阈值电势会正向漂移。随着SiO2厚度的增加,与时间相关的介电击穿(time dependent dielectric breakdown,TDDB)的时间依赖性特征表现出更长的寿命。同年,Zhang等[49]在对AlGaN表面进行多晶AlN钝化处理,2DEG迁移率、峰值跨导率和饱和漏极电流提高,静态导通电阻降低。类施主陷阱主要来源于在AlGaN表面的Ga氧化和N空穴,其充电过程导致电流崩塌和动态导通电阻增加。表面钝化过程减小Ga-O悬垂键缺陷,被广泛应用于改善AlGaN/GaN基HEMT器件的可靠性。2020年,Cheng等[50]从直流静态特性、电流崩塌、小信号性能三个角度比较发现,SiON钝化层的HEMT的漏极电流最大值和跨导值比SiOx和SiNx的钝化层的有所增加,SiOx钝化层的HEMT器件有最小的栅极漏电,脉冲I-V表明,与SiNx和SiON钝化层器件相比,SiOx钝化层的HEMT有严重电流崩塌,主要是因为深层陷阱引入导致的。小信号性能表明,由于跨导率的提高,SiON钝化层器件具有较高的截止频率。对于高GaN基微波HEMT器件来说,SiON作为钝化层有很好的应用前景。

4 结 论

近些年来对于GaN基HEMT器件的研究一直都很热门,GaN基HEMT器件的可靠性问题一直是阻碍其发展应用的绊脚石。常见的问题就有电流崩塌、自热效应以及Kink效应等。本文从电场、温度和辐照角度去综述不同类型失效机制及相关失效现象。在关态下给器件加漏极偏置电势,会导致器件产生很大的漏电现象,根据Griffith脆性断裂理论,在高压下,器件在栅极靠近漏极一侧有很大电场,导致晶体管内部产生高的机械应力。由于AlGaN在GaN上的晶格失配,晶体发生机械变形,产生裂纹,晶体缺陷导致栅极漏电。与温度相关的机制主要分为热离子发射、Poole-Frenkel发射和陷阱辅助隧穿。重离子辐照加快器件的退化,主要是重离子在器件层中产生大量的空位、间隙和位错等缺陷。最后讨论了利用场板结构和钝化层来优化GaN 基HEMT器件

对于未来,器件的可靠性问题仍然是各研究单位研究的重中之重。可从以下几个角度去突破:①改进器件的生长工艺,减少器件材料内部的体位错、界面位错等;②继续优化钝化层,减少器件势垒层与钝化层界面的缺陷问题;③改进设计晶体管势垒层结构,优化量子阱防止沟道热电子的外溢;④优化材料结构,减少材料与材料间的应变。若从以上几个角度去改善,GaN基HEMT器件的性能将得到极大提高,对于未来在雷达、航天等方向的应用更具前景。

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