基于凹槽結構抑制AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管電流崩塌效應*

劉靜 王琳倩 黃忠孝

(西安理工大學電子工程系, 西安 710048)

基于雙脈沖技術, 研究了GaN緩沖層陷阱對AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管電流崩塌效應的影響.結果表明, 柵邊緣漏側的電場峰值使得溝道電子躍遷至緩沖層, 并被緩沖層中的陷阱俘獲是造成電流崩塌的主要原因之一.提出了勢壘層局部凹槽結構, 降低了柵邊緣漏側的電場峰值, 使電場分布更加均勻, 改善了器件的電流崩塌效應.與傳統AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管結構相比, 新器件結構對電流崩塌效應的抑制作用至少提升了22.30%.

1 引 言

GaN材料具有寬禁帶、高電子遷移率、高飽和速度和高擊穿電場等優異的材料特性, 因此GaN基器件不僅在光電領域得到廣泛關注[1-3], 還顯示出大電流、高擊穿電壓和大功率等特性, 具有很好的微波性能.雖然GaN高電子遷移率晶體管(high electron mobility transistors, HEMT)在高頻、高壓、高溫領域取得了重大進展[4-6], 但在穩定性和可靠性等方面的問題仍限制著GaN基器件的廣泛應用[7-11], 其中由陷阱效應導致的電流崩塌對器件性能影響較為嚴重[12-14].電流崩塌效應產生的原因一般認為有兩個因素：其一是表面陷阱在器件工作過程中俘獲電子, 在表面形成一定的電勢,影響溝道中的耗盡層, 從而導致漏極電流的減小,即所謂的“虛柵”效應; 另一個因素是由于緩沖層陷阱俘獲溝道熱電子導致的[15,16].

對于表面陷阱的影響, 采用鈍化技術[17,18]或場板結構[19-21]可以使其有效降低, 而對于緩沖層陷阱, 尤其是緩沖層深能級陷阱對電流崩塌的影響仍得不到很好的解決, 因為這些陷阱可以抑制緩沖層泄漏電流以及短溝道效應, 它是器件正常工作所必需的[22].因此, 進一步研究緩沖層陷阱對電流崩塌的影響機理, 提出改善電流崩塌效應的方法是一個亟待解決的問題.

本文對傳統AlGaN/GaN HEMT器件在緩沖層陷阱影響下的電流崩塌機理進行了研究, 結果表明柵邊緣漏側的電場峰值是導致電流崩塌效應的關鍵因素.為進一步抑制電流崩塌效應, 提出了勢壘層局部凹槽的AlGaN/GaN HEMT器件結構,對新結構器件電流輸運機理進行了研究.計算機輔助設計 (technology computer aided design, TCAD)仿真結果表明了新結構抑制電流崩塌效應的可行性和有效性[23].

2 器件結構

傳統AlGaN/GaN HEMT器件結構如圖1(a)所示, 從下到上依次為 SiC襯底, 厚度為 2.0 μm的GaN緩沖層和厚度為20 nm的Al0.3Ga0.7N勢壘層.柵長為 0.5 μm, 柵源和柵漏距離分別為 1.0 μm和 2.0 μm.此外還采用了厚度為 50 nm 的 Si3N4鈍化層.高漏壓下, 柵邊緣漏側形成較高的電場峰值, 溝道二維電子氣 (2-dimensional electron gas,2DEG)獲得能量, 躍遷至緩沖層并被緩沖層陷阱俘獲, 使得 2DEG 濃度降低, 導致電流崩塌效應.本文提出勢壘層局部凹槽結構AlGaN/GaN HEMT器件結構如圖1(b)所示.與傳統結構不同的是,在AlGaN勢壘層中靠近漏極的柵邊緣引入了長為L, 高為H的凹槽結構, 其中凹槽部分由Si3N4填充.凹槽結構通過降低柵邊緣的電場峰值, 使電場分布更加均勻, 改善了器件的電流崩塌效應.

圖1 AlGaN/GaN HEMT 結構示意圖 (a)傳統 AlGaN/GaN HEMT; (b)勢壘層局部凹槽結構 AlGaN/GaN HEMTFig.1.Schematic cross-section of AlGaN/GaN HEMT：(a) Conventional AlGaN/GaN HEMT; (b) AlGaN/GaN HEMT with barrier layer local groove structure.

3 結果與分析

3.1 電流崩塌效應機理

采用雙脈沖技術對器件的電流崩塌效應進行研究, 脈沖波形及相關參數設置如圖2所示, 靜態偏置 (VgQ,VdQ)為 (—5 V, 20 V), 測試偏置 (Vg,Vd)為 (0 V, 5 V).靜態偏置時間持續到t= 10—7s,靜態偏置到測試偏置的上升時間為t= 10—8s, 測試偏置階段從t= 1.1 × 10—7s開始持續到t=10 s結束.

圖2 脈沖仿真電壓偏置條件Fig.2.Pulse simulation voltage bias conditions.

圖3顯示了傳統AlGaN/GaN HEMT器件的電流崩塌變化曲線, 可以看出, 在t= 1.1 × 10—7s時, 器件進入測試偏置階段, 但輸出電流未能直接達到穩定值, 而是保持在一個初始值持續一段時間 (從t= 1.1 × 10—7s 至t= 10—4s)后才逐漸增大到穩定值, 圖3所示結果表明AlGaN/GaN HEMT器件具有顯著的電流崩塌效應.為深入分析電流崩塌產生機理, 將測試偏置階段分為三個部分,t=1.1 × 10—7s 至 10—4s 輸出電流基本保持不變, 稱為電流保持階段;t= 10—4s至 2 × 10—2s電流隨時間增大, 稱為電流上升階段;t= 2 × 10—2s之后, 輸出電流幾乎保持不變, 稱為電流穩定階段.在t= 10—7s之前器件處于靜態偏置階段, 柵壓小于閾值電壓, 柵下溝道耗盡, 器件工作在關斷狀態.柵漏之間電勢差較大(25 V), 2DEG獲得能量躍遷至緩沖層, 被緩沖層陷阱俘獲, 溝道2DEG濃度很小.t= 1.1 × 10—7s柵壓躍變為 0 V, 器件處于測試偏置階段, 柵下溝道可以很快響應, 但緩沖層陷阱的響應比較慢, 此時溝道中2DEG濃度較小, 電流未能達到穩定值而是保持在一個較小值的狀態.在t= 10—4s時, 隨著緩沖層深能級陷阱緩慢釋放電子, 電流逐漸增大, 在t= 2 × 10—2s時達到穩定狀態.

圖3 雙脈沖下的電流崩塌效應Fig.3.Current collapse effect under double pulse.

在電流保持、上升和穩定這三個階段中分別取t= 1 × 10—6s,t= 1 × 10—3s和t= 0.1 s三個時間點, 圖4為這三個時間點2DEG濃度的變化情況.在X= 2.0 μm, 即柵邊緣漏側, 2DEG 濃度隨時間的推移逐漸增大, 由于緩沖層陷阱的響應較慢, 溝道不能在柵壓躍變后馬上導通而是隨著緩沖層陷阱緩慢釋放電子逐漸導通, 這也是導致器件輸出電流緩慢增加的原因.

圖5(a)—(c) 分別為t= 1 × 10—6s,t= 1 ×10—3s和t= 0.1 s三個時間點上陷阱被電子占據情況, 可以看出隨時間的增加緩沖層陷阱被電子占據的概率逐漸降低, 表現為陷阱釋放電子的過程.結合圖4和圖5可知, 電流逐漸趨于穩定狀態是由于緩沖層陷阱釋放電子導致的, 對比圖5(c)與圖5(d)(直流情況)可以看出兩種情況的電子占據陷阱的情況幾乎相同, 可知, 圖5(c)處, 即t= 0.1 s時, 陷阱中已無凈電荷釋放, 輸出電流Id趨于穩定.

圖4 溝道電子濃度曲線Fig.4.channel electron concentration curves.

圖6 中 (a)—(d)分別為t= 0.5 × 10—7s,t=1.05 × 10—7s,t= 1.1 × 10—7s和t= 1 × 10—6s四個時間點對應的器件在柵邊緣漏側附近緩沖層陷阱被電子占據的概率分布情況.可以看出, 測試偏置階段之前, 器件處于緩沖層陷阱俘獲電子的過程.在剛進入測試偏置階段時, 陷阱俘獲電子的濃度達到最大.由測試偏置階段中陷阱釋放電子的過程可知, 在柵邊緣漏側附近, 緩沖層陷阱釋放的電子來自于靜態偏置階段及靜態偏置階段向測試偏置階段的過渡狀態中陷阱俘獲的電子.

圖5 不同時刻電子占據陷阱的概率分布情況 (a) t = 1 × 10—6 s; (b) t = 1 × 10—3 s; (c) t = 0.1 s; (d)直流情況Fig.5.Probability distribution of electron occupying trap at different times：(a) t = 1 × 10—6 s; (b) t = 1 × 10—3 s; (c) t = 0.1 s;(d) direct current.

圖6 電子占據陷阱的濃度分布情況 (a) t = 0.5 × 10—7 s; (b) t = 1.05 × 10—7 s; (c) t = 1.1 × 10—7 s; (d) t = 1 × 10—6 sFig.6.Concentration distribution of electron occupying trap：(a) t = 0.5 × 10—7 s; (b) t = 1.05 × 10—7 s; (c) t = 1.1 × 10—7 s; (d) t =1 × 10—6 s.

圖7 和圖8 分別取t= 0.5 × 10—7s,t= 1.05 ×10—7s,t= 1.1 × 10—7s,t= 1 × 10—6s,t= 1 ×10—3s及t= 0.1 s六個時刻, 柵邊緣漏側電場峰值及溝道電子濃度的變化情況.可以看出, 電場峰值隨時間推移逐漸減小, 在t= 1.0 × 10—7s之前, 器件處于靜態偏置階段, 電場峰值最大, 柵邊緣漏側的溝道電子在這一高電場作用下發生躍遷進入緩沖層, 并被緩沖層中的受主陷阱俘獲.由于柵極下方的溝道耗盡, 柵邊緣漏側的溝道電子在被陷阱俘獲后無法獲得補償, 導致該處溝道電子耗盡.隨著時間的推移, 器件進入靜態偏置與測試偏置之間的過渡狀態, 此時器件處于半導通狀態, 柵極下方的溝道中已經開始產生電子, 并向柵邊緣漏側的溝道中進行電子補償, 但由于柵漏間電勢差仍較大, 在電場峰值作用下該處的電子會繼續躍遷并被緩沖層中的陷阱俘獲.在測試偏置階段, 柵下溝道已完全打開, 柵漏間電勢差較小, 電場峰值也小到不足以使溝道電子發生躍遷, 為了維持平衡, 緩沖層陷阱開始釋放電子, 導致柵邊緣漏側的溝道電子濃度逐漸增加, 溝道電子濃度分布趨于均勻, 溝道電場分布也隨之趨于均勻, 最終電子濃度達到穩定狀態.由于輸出電流的大小和溝道中2DEG密度有關, 所以輸出電流也隨著時間的變化發生變化, 形成了瞬態條件下的電流崩塌效應.

圖7 柵極邊緣處溝道電場Fig.7.Channel electric field at the edge of the gate.

圖8 柵極邊緣電子濃度隨時間的變化Fig.8.Electron concentration at the edge of the gate as a function of time.

3.2 電流崩塌效應抑制

柵邊緣漏側的電場峰值是導致電流崩塌效應的關鍵因素, 本文提出的AlGaN/GaN HEMT新結構(如圖1(b)所示), 基于勢壘層局部凹槽結構可以顯著降低柵邊緣漏側的電場峰值, 改善器件工作過程中的電流崩塌效應.

圖9為勢壘層局部凹槽結構與傳統結構在剛進入測試偏置階段t= 1 × 10—6s的橫向溝道電場強度的分布.可以看出, 相比傳統結構, 凹槽結構在柵邊緣漏側處的電場峰值低, 同時電場分布向漏極方向擴展, 電場分布更加均勻.這是由于溝道中的2DEG主要來自勢壘層, 當其厚度低于能夠產生二維電子氣的臨界厚度時, 費米能級在施主表面態能級之上, 幾乎沒有電離施主態電離, 無法形成2DEG.隨著厚度的增加, 在極化電場的作用下,AlGaN層的表面勢逐漸升高, 表面導帶下方的類施主陷阱能級相應升高.當表面態能級到達費米能級后, 施主表面態發生電離, 釋放電子, 2DEG 濃度開始逐漸增加.當勢壘層厚度進一步增加, 表面態完全電離, 2DEG的濃度接近飽和時, 即使其厚度繼續增大, 2DEG的濃度也不會出現明顯的增加.由2DEG的產生機理可知, 在一定范圍內2DEG的濃度會隨著勢壘層厚度的增大而增大, 凹槽的引入, 減小了凹槽下方勢壘層厚度, 該部分溝道的2DEG濃度有所降低, 使得凹槽結構柵邊緣漏側處的電場分布向漏極方向擴展, 分布更加均勻, 峰值電場小于傳統結構.

圖9 凹槽結構與傳統結構器件的溝道電場分布Fig.9.Channel electric field distribution of groove structure and conventional structure device.

圖10為凹槽的長L為1.0 μm, 高H為0.010 μm時, AlGaN/GaN HEMT勢壘層局部凹槽結構與傳統結構的電流崩塌曲線.可以看出, 采用了凹槽結構的器件的電流崩塌量從13.59%降低到了10.56%, 性能提升了 22.30%.

為進一步分析凹槽結構改善電流崩塌效應的有效性, 圖11 給出了在t= 1 × 10—6s,t= 1 ×10—3s及t= 0.1 s三個典型時間兩種器件結構溝道電場分布情況.可以看出,t= 1 × 10—6s 到t=0.1 s之間, 勢壘層局部凹槽結構的電場峰值變化量要遠小于傳統AlGaN/GaN HEMT器件.

圖12 給出了t= 1 × 10—6s,t= 1 × 10—3s及t= 0.1 s三個時間點下凹槽結構與傳統結構溝道電子濃度分布,t= 1 × 10—6s到t= 0.1 s 時間范圍, 凹槽結構溝道電子濃度的變化量小于傳統結構, 導致凹槽結構電場的變化量小于傳統結構, 從而導致圖10中勢壘層局部凹槽結構的電流變化量減小, 電流崩塌得以改善.

圖10 凹槽結構與傳統結構器件的電流崩塌對比Fig.10.Comparison of current collapse between groove structure and conventional structural devices.

圖11 凹槽結構與傳統結構器件在不同時刻的溝道電場分布Fig.11.Channel electric field distribution at different times for the groove structure and the conventional structure device.

圖12 凹槽結構與傳統結構器件在不同時刻溝道電子濃度分布Fig.12.Channel electron concentration distribution at different times for the groove structure and the conventional structure device.

溝道電子濃度的變化是由緩沖層陷阱俘獲及釋放電子造成的, 圖13 為在測試偏置階段t= 1 ×10—6s,t= 1 × 10—3s及t= 0.1 s三個時間點下陷阱俘獲電子濃度的變化情況, 表明凹槽結構和傳統結構隨時間的增加, 電子占據緩沖層陷阱濃度逐漸減小, 表現為釋放電子的過程, 從而導致溝道電子濃度的增加.器件進入測試偏置階段時, 柵下溝道完全打開, 柵漏間電勢差較小, 電場峰值小到不足以使溝道電子發生躍遷, 為了維持平衡, 俘獲了電子的陷阱開始釋放電子, 導致柵邊緣漏側的溝道電子濃度逐漸增加.

圖13 電子占據緩沖層陷阱濃度隨時間的變化Fig.13.Electron occuping buffer layer trap concentration as a function of time.

綜上可知, 柵邊緣漏側的電場峰值是導致傳統AlGaN/GaN HEMT器件電流崩塌效應的一個重要因素, 新結構中通過引入凹槽結構降低了該處的電場峰值, 器件的電流崩塌效應得到了改善.

4 結 論

基于 AlGaN/GaN HEMT器件, 分析了 GaN緩沖層陷阱對傳統AlGaN/GaNHEMT電流崩塌效應的影響, 表明柵邊緣漏側的電場峰值是產生電流崩塌效應的重要因素之一, 溝道電子在峰值電場作用下, 發生躍遷進入緩沖層, 被緩沖層陷阱俘獲,由于陷阱釋放電子速度跟不上柵極下方溝道打開的速度, 導致電流崩塌效應的產生.相比傳統結構,新結構通過在柵極邊緣引入凹槽結構降低柵邊緣漏側的電場峰值, 使得電場分布向漏極方向擴展,分布更加均勻, 從而導致勢壘層局部凹槽結構的電流變化量減小, 電流崩塌得以改善.