雷達(dá)T/R組件中GaN器件可靠性影響

作者/竇丙飛、嚴(yán)繼進(jìn)、吳貽偉、呂春明、柳拓鵬，華東電子工程研究所

雷達(dá)T/R組件中GaN器件可靠性影響

作者/竇丙飛、嚴(yán)繼進(jìn)、吳貽偉、呂春明、柳拓鵬，華東電子工程研究所

相控陣?yán)走_(dá)的核心部件T/R組件性能不斷提高，GaN半導(dǎo)體器件的應(yīng)用使得組件輸出功率和效率大幅提高，能夠在高溫下工作。但是GaN材料目前應(yīng)用時(shí)間較短，可靠性方面還缺乏驗(yàn)證。本文主要介紹了組件中GaN功率器件的失效機(jī)理，對(duì)影響GaN功率器件可靠性的不同因素進(jìn)行了分析。

氮化鎵功率器件；T/R組件；可靠性

引言

雷達(dá)在過去40年從機(jī)械掃描發(fā)展到有源電掃陣列。發(fā)展的關(guān)鍵是雷達(dá)陣列中T/R組件的技術(shù)發(fā)展，包括了性能、制造技術(shù)以及成本三方面的進(jìn)展。第一個(gè)T/R組件產(chǎn)生于1964年，組件是基于混合硅基電路制備的。隨著上世紀(jì)90年代GaAs微波單片集成電路的出現(xiàn)，T/R組件技術(shù)也不斷革新。而隨著第三代化合物半導(dǎo)體材料GaN的成熟和應(yīng)用，T/R 組件中也逐步地開始采用由GaN材料制備的的微波功率器件，GaN功率器件的優(yōu)勢在于具有更高的輸出功率和更小的尺寸。在相同封裝體積下，GaN器件具有GaAs器件5到10倍的功率輸出，這樣可以形成同樣成本的高性能或者同樣性能的低成本。而GaN器件性能和成熟度方面不斷改善，在功率等性能方面具備超過GaAs器件的能力[1—2]。

GaN材料具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在微波領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，目前已經(jīng)在低頻段有了較為成熟的市場應(yīng)用產(chǎn)品。但是作為新發(fā)展起來的材料，其應(yīng)用的時(shí)間不夠久，可靠性數(shù)據(jù)也并不充分，在應(yīng)用中失效的風(fēng)險(xiǎn)還比較大。本文總結(jié)了T/R組件用GaN功率器件的失效機(jī)理，對(duì)影響GaN功率器件可靠性的因素逐一進(jìn)行了討論分析。

1. GaN功率器件的失效機(jī)理

GaN器件的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示, AlGaN/GaN的異質(zhì)結(jié)構(gòu)天然存在2DEG，因此，正常情況下AlGaN/GaN HEMT都是耗盡型器件。GaN HEMT工作時(shí)，通過外加偏置電壓來調(diào)制2DEG載流子濃度和載流子漂移狀態(tài)來控制溝道電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)器件功能。目前研究得出的GaN功率器件失效機(jī)理有如下幾種。

圖1 GaN器件的原理示意圖

1.1 電流崩塌效應(yīng)

電流崩塌效應(yīng)是引起GaN器件失效最主要的模式，其現(xiàn)象是在工作頻率提高或者是漏源偏置電壓(VDS)增大的條件下溝道電流Id會(huì)出現(xiàn)下降。

Meneghesso.G等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]指出，高頻時(shí)GaN HEMT會(huì)出現(xiàn)漏極電流頻率分散現(xiàn)象，此時(shí)漏極電流與直流時(shí)相比會(huì)有明顯下降。據(jù)估計(jì)，高頻時(shí)漏極電流的下降與器件柵漏之間表面的高密度表面態(tài)有關(guān)。

在器件的柵極與漏極之間的表面，是一片沒有覆蓋任何材料的區(qū)域，存在較大密度的表面態(tài)能級(jí)。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，柵漏之間的表面存在一個(gè)較大的電場，而表面態(tài)不斷地捕獲和釋放電子，在表面形成一定的電勢，影響溝道中的耗盡層，從而導(dǎo)致漏極電流的減小。而柵漏之間表面態(tài)捕獲的電子，可能由兩種方式提供。其一是在漏極大電壓條件下，溝道中二維電子氣中的電子經(jīng)A1GaN勢壘層隧穿到表面;其二是電子從柵極注入到表面。而A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)必須遵從電中性條件，當(dāng)表面積累一定電荷的時(shí)候，二維電子氣的濃度會(huì)減小。

1.2 缺陷和損傷

當(dāng)器件在場強(qiáng)較大的條件下工作，半導(dǎo)體能帶中的電子通過電場加速獲得了遠(yuǎn)超過熱平衡的能量形成熱電子，產(chǎn)生缺陷。缺陷有可能成為電子陷阱，會(huì)將器件溝道內(nèi)的電荷俘獲，不能參與導(dǎo)通，引起器件的性能降低。

器件的結(jié)構(gòu)損傷會(huì)引起柵極漏電，降低器件性能；另外AlGaN 表面較高的表面態(tài)密度使得 HEMTs 器件柵極漏電偏大，在射頻信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，器件柵極一旦正偏，就會(huì)導(dǎo)致柵極電流呈指數(shù)增加，造成肖特基接觸的退化。當(dāng) GaN HEMTs 器件在射頻信號(hào)下連續(xù)工作時(shí)，這種高的柵極漏電就會(huì)嚴(yán)重影響器件長期工作的可靠性，降低器件的擊穿電壓和功率附加效率，增加噪聲系數(shù)。

1.3 逆壓電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)的與壓電效應(yīng)相對(duì)應(yīng)的概念，所謂壓電效應(yīng)是指在某些半導(dǎo)體材料中，對(duì)材料施加機(jī)械應(yīng)力，使其晶格結(jié)構(gòu)變形后，會(huì)在變形處產(chǎn)生電動(dòng)勢，形成電場。而逆壓電效應(yīng)正好相反，是對(duì)某些半導(dǎo)體外加電場時(shí)，電應(yīng)力會(huì)讓晶格產(chǎn)生變化，造成機(jī)械損傷，出現(xiàn)隧穿效應(yīng)增加漏電。而GaN/AlGaN是具有很強(qiáng)的逆壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料。

圖2 GaN器件表面態(tài)對(duì)溝道電流影響

研究發(fā)現(xiàn)，在GaN HEMT器件中，施加高的偏置電壓時(shí)，在AlGaN勢壘層中或者在柵邊緣附近會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化的缺陷，這些缺陷降低了溝道電流，增加了寄生電阻和柵極的漏電流。這一效應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵性標(biāo)志是柵極漏電突然增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)并且發(fā)生之后不可逆。該效應(yīng)屬于電壓引起，存在一個(gè)閾值電壓，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)閾值的時(shí)候退化不會(huì)發(fā)生。

1.4 去氫化效應(yīng)

研究認(rèn)為，在GaN HEMT器件制備過程中，經(jīng)過多個(gè)工藝流程涉及到氫鈍化，GaN晶格中存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷，如Ga空位、N空位以及雙空位。在工藝過程中被氫鈍化飽和了點(diǎn)缺陷，使得這些缺陷不再具有俘獲電荷的能力。而當(dāng)器件施加高電場應(yīng)力的時(shí)候，熱電子會(huì)去除缺陷上的氫，讓這些被鈍化的缺陷重新激活，成為能夠俘獲電荷的電子陷阱。相當(dāng)于是增加了陷阱的數(shù)量，會(huì)影響器件的性能。

1.5 隧穿效應(yīng)

當(dāng)器件外加大的漏極偏壓時(shí)，輸入射頻大信號(hào)，漏極的峰值電壓可能達(dá)到直流偏壓的兩個(gè)數(shù)量級(jí)。仿真計(jì)算結(jié)果表明，在柵電極邊緣區(qū)域靠近漏極方向的場強(qiáng)能夠輕易地超過6—8MV/cm[4]。如此大的場強(qiáng)足夠產(chǎn)生電子的量子效應(yīng)隧穿。電子積累在半導(dǎo)體表面，起不到傳導(dǎo)作用，溝道內(nèi)電子濃度下降，引起溝道電流降低，部分電子還從表面移動(dòng)到漏極或者穿過AlGaN勢壘層，增大漏電。從柵電極隧穿的電子會(huì)積累在柵以下的半導(dǎo)體表面；通過陷阱之間的跳躍機(jī)制沿著界面導(dǎo)通，產(chǎn)生柵到漏極的漏電流；或者穿過AlGaN勢壘層進(jìn)入2DEG溝道。此外在電子能量足夠大的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)生雪崩電離效應(yīng)，造成擊穿。

從以上的失效機(jī)理可以看到，基本造成失效的因素包括了高溫、工作頻率提高、強(qiáng)電場、晶格缺陷和損傷等幾種。

2. 溫度對(duì)GaN器件可靠性影響

GaN 器件的主要應(yīng)用前景主要集中在高溫、射頻、大功率等應(yīng)用領(lǐng)域，而在大功率應(yīng)用中，器件不可避免的會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而這些熱量如果不能及時(shí)耗散，則會(huì)引起器件溫度的明顯升高。

圖3 隧穿效應(yīng)示意圖

通過研究，發(fā)現(xiàn)GaN器件在300°C的結(jié)溫以上會(huì)出現(xiàn)性能的明顯衰減，而對(duì)器件的金屬電極歐姆接觸以及肖特基接觸的分析發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)溫度下金屬接觸性能非常穩(wěn)定，說明了金屬接觸不是影響高溫下器件特性的因素。GaN材料的內(nèi)部缺陷是主要的限制原因。

人們還嘗試建立了溫度對(duì)器件性能影響的模型，發(fā)現(xiàn)器件熱主要來自焦耳熱，主要是電場對(duì)電子做功，電子又在運(yùn)動(dòng)中將能量傳遞給了晶格，因此，溝道內(nèi)橫向溫度分布于電場分布非常類似。

隨著溫度的升高，器件二維電子氣(2DEG)遷移率發(fā)生明顯的下降，其密度也有小幅度下降，從而引起了器件飽和電流的下降和溝道方塊電阻的增加。而溝道方塊電阻的增加使得器件源/漏串聯(lián)電阻增大，進(jìn)一步導(dǎo)致了器件膝點(diǎn)電壓的增大。歐姆接觸電阻的增大也成為器件膝點(diǎn)電壓增大的另一個(gè)因素。理想因子的增大表明柵泄漏機(jī)制在高溫下變得異常復(fù)雜，進(jìn)一步研究表明：高溫下，熱電子發(fā)射因?yàn)閯輭靖叨鹊慕档投兊母鼮閺?qiáng)烈，另外，陷阱輔助遂穿機(jī)制明顯增強(qiáng)，在這兩種機(jī)制的共同作用下，器件的柵泄漏電流成倍增大，柵特性明顯變差。

人們還對(duì)器件高溫交流特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高溫下器件電流崩塌有所減弱，柵延遲特性沒有發(fā)生明顯變化。器件的二維電子氣濃度有小幅度下降，其位置有向 GaN 緩沖層漂移的趨勢，而二維電子氣的這兩種變化導(dǎo)致勢壘層電容減小，從而減弱了柵控作用，使器件跨導(dǎo)下降。高溫下AlGaN/GaN 界面處并沒有新的陷阱產(chǎn)生，但原有陷阱時(shí)常數(shù)明顯減小，這表明陷阱活性增強(qiáng)。對(duì)器件電流崩塌的研究表明，高溫下，勢壘層陷阱活性增強(qiáng)，同時(shí)電子能量增加，這使得陷阱俘獲的電子更容易直接逃逸出來或者通過遂穿作用到達(dá)柵極(或溝道區(qū))，從而不能有效對(duì)二維電子氣起到耗盡作用，導(dǎo)致電流崩塌現(xiàn)象有所減弱[5]。

3. 電壓電流對(duì)GaN器件可靠性影響

工作時(shí)的高溫是影響GaN器件可靠性的重要因素，而大的偏置電壓和電流也會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響。人們對(duì)電應(yīng)力的作用進(jìn)行了研究，分別是在源漏柵施加電壓/電流應(yīng)力，測試性能的變化。 對(duì)于電應(yīng)力造成GaN器件的性能下降，目前認(rèn)為主要有兩種作用機(jī)制，一是熱載流子效應(yīng)，二是逆壓電效應(yīng)[6]。AlGaN/GaN HEMT的退化機(jī)制為由熱載流子效應(yīng)引起的退化和由逆壓電效應(yīng)引起的退化這兩種機(jī)制共存，但是當(dāng)器件工作的電壓不同時(shí)，起主導(dǎo)地位的退化機(jī)制不同：當(dāng)VDG<臨界電壓值(Vcrit)時(shí)，熱載流子效應(yīng)引起器件參數(shù)、性能退化這種機(jī)制位于主導(dǎo)地位，而當(dāng)VDG≥臨界電壓值(Vcrit)時(shí)，逆壓電效應(yīng)引起器件參數(shù)、性能退化這種機(jī)制位于主導(dǎo)地位。

圖4 加電壓VDG前后GaN器件電流比較

由圖4可見，偏置應(yīng)力后，器件漏電流發(fā)生崩塌。在高柵壓、低漏電壓時(shí)，電流崩塌效應(yīng)最顯著。隨著漏電壓持續(xù)增大，電流崩塌量逐漸降低，最后接近應(yīng)力前水平。這些結(jié)果與器件受偏置應(yīng)力的影響相同。關(guān)態(tài)應(yīng)力時(shí)溝道夾斷，不存在熱電子效應(yīng)。但柵漏間高電壓產(chǎn)生的強(qiáng)電場使得柵邊緣的近漏端產(chǎn)生泄漏電流。這個(gè)電流填充勢壘的表面態(tài)，使得表面電勢變負(fù)形成所謂的虛柵效應(yīng)。該效應(yīng)使柵邊緣近漏端下方的溝道部分耗盡，等效為柵極長度增加。當(dāng)撤去偏置應(yīng)力后，柵下方的溝道立即響應(yīng)，而虛柵下的溝道需要較長的表面態(tài)充放電時(shí)間才能恢復(fù)。因此，漏電流在很大程度上受到虛柵控制。

4. 小結(jié)

T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，應(yīng)用GaN器件的T/R組件能夠大幅提高輸出功率和效率。本文主要總結(jié)了GaN功率器件可靠性影響因素，對(duì)GaN器件的原理和失效機(jī)理進(jìn)行了分析，然后將溫度、電壓以及工作頻率等因素對(duì)GaN器件可靠性的影響逐一進(jìn)行了探討。對(duì)GaN功率器件可靠性研究及技術(shù)改進(jìn)具有參考價(jià)值。

＊ [1] KOPP B A, BORKOWSKI M, JERINIC G. Transmit/Receive Modules [J]. IEEE Trans. Microwave Theory Tech, 2002, 50(3): 827—834.

＊ [2] KOLIAS N. MMIC Pioneers: A Historical Review of MMIC Dev elopment at Raytheon [C]. IEEE MTT—S International Microwa ve Symposium Digest. Boston, USA, 2009: 1405—1408.

＊ [3] MENEGHESSO G, VERZELLESI G, PIEROBON R, et al. Surface—related drain current dispersion effects in AlGaN—GaN HEMTs [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2004, 51(10): 1554—1561.

＊ [4] WANG M, CHEN K J. Improvement of the Off—State Breakdo wn Voltage With Fluorine Ion Implantation in AlGaN/GaN HEM Ts [J]. Electron Devices, IEEE Transactions on, 2011, 58(2): 460—465.

＊ [5] JIMENEZ J L, CHOWDHURY U. X— Band GaN FET reliability [C]. IEEE International Reliability Physics Symposium, Phoen ix, USA, 2008: 429—435.

＊ [6] JOH J, DEL ALAMO J A. Mechanisms for Electrical Degradati on of GaN High—Electron Mobility Transistors [C]. IEEE Internati onal Electron Devices Meeting. San Francisco, USA, 2006:1—4..