AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管器件電離輻照損傷機理及偏置相關性研究

董世劍 郭紅霞? 馬武英 呂玲 潘霄宇 雷志鋒 岳少忠 郝蕊靜 琚安安 鐘向麗 歐陽曉平

1) (湘潭大學材料科學與工程學院, 湘潭 411105)

2) (工業和信息化部電子第五研究所, 電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室, 廣州 510610)

3) (西北核技術研究所, 西安 710024)

4) (西安電子科技大學微電子學院, 寬禁帶半導體材料與器件教育部重點實驗室, 西安 710071)

本 文 利 用60Co g 射 線 , 針 對 AlGaN/GaN 高 電 子 遷 移 率 晶 體 管 (high-electron mobility transistors,HEMT)器件, 開展了在不同偏置下器件電離輻照總劑量效應實驗研究.采用1/f噪聲結合直流電學特性參數對實驗結果進行測量分析, 分析結果表明, 受到輻照誘生氧化物缺陷電荷與界面態的影響, 當輻照總劑量達到1 Mrad(Si)時, 零偏條件下AlGaN/GaN HEMT器件的電學參數退化得最大, 其中, 飽和漏電流減小36.28%,最高跨導降低52.94%; 基于McWhorter模型提取了AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的缺陷密度, 零偏條件下輻照前后缺陷密度變化最大, 分別為 4.080 × 1017和 6.621 × 1017 cm–3·eV–1.其損傷機理是在氧化物層內誘生缺陷電荷和界面態, 使AlGaN/GaN HEMT器件的平帶電壓噪聲功率譜密度增加.

1 引 言

寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)是繼硅(Si)和砷化鎵(GaAs)之后迅速發展起來的第三代半導體,擁有良好的物理、化學和電學性能[1].相較于Si和GaAs, GaN具有獨特的優勢, 如直接帶隙、更寬的禁帶、更大的飽和漂移速度、更高的臨界擊穿電場和熱導率等[2?6].GaN寬的禁帶使GaN基高電子遷移率晶體管器件具有良好的抗輻照性能, 被廣泛應用在空間環境中[3].但是AlGaN/GaN HEMT器件在受到輻照后由于電離效應在材料中產生缺陷, 成為影響器件長期正常工作的主要因素, 給器件的可靠性帶來問題.

1/f低頻噪聲(flicker noise)指的是半導體器件功率譜密度隨頻率增大而減小的隨機漲落現象,其對半導體材料與器件中潛在的缺陷很敏感.自從1925年1/f噪聲被首次觀察到后, 1/f噪聲測量就一直作為電子器件以及線路低頻噪聲的主要研究手段.利用低頻噪聲測量, 可以對界面處陷阱的能量以及空間分布進行分析[7?10], 對半導體器件在各種外加條件下的退化過程進行表征.近幾年的相關研究結果顯示, 半導體器件中1/f噪聲的幅值與器件的可靠性有密切關系.因此, 通過分析半導體器件中的1/f噪聲可以對半導體器件的可靠性進行預測和評估.1/f噪聲測量作為一種非破壞性的半導體器件可靠性表征手段, 已經被大量用于BJT, MOS, GaN以及半導體激光器等器件的無損評價和篩選中[11?13].

目前, 國內外的研究人員針對AlGaN/GaN HEMT器件在輻照環境下電學參數退化進行了大量理論與試驗研究.2019年Zheng等[14]對GaN HEMT器件開展了60Co g射線輻照試驗, 指出柵偏置會對器件的退化產生影響; 2016年Smith等[15]開展了 AlGaN/GaN HEMT器件的60Co g射線總劑量輻照試驗, 指出器件在關態下表現出高的穩定性; 2017年Bhuiyan等[16]針對以氧化物為柵介質的MOS-HEMT器件開展了總劑量響應研究, 指出氧化物能提高器件的抗輻照性能.雖然之前研究者的工作包括了器件制備工藝、結構尺寸以及輻照期間的偏置設置等對AlGaN/GaN HEMT器件輻照性能的影響, 但關于輻照前后低頻噪聲特性變化卻鮮有報道.因此開展AlGaN/GaN HEMT器件60Co g射線總劑量輻照與低頻噪聲相關性的研究很有必要.工作的開展為AlGaN/GaN HEMT器件抗輻照加固、無損傷評價和篩選提供方法補充.

2 器件結構與測試系統

實驗樣品為耗盡型功率AlGaN/GaN HEMT器件, 其結構如圖1所示.

AlGaN/GaN HEMT器件的總劑量實驗是在中國科學院新疆理化技術研究所的60Co g射線輻照實驗源上進行的, 選擇的劑量率為297.29 rad(Si)/s,實驗中對器件設置了三種偏置, 如表1所列.

表1 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照實驗偏置設置Table 1.The biases set of AlGaN/GaN HEMT device irradiation experiment.

本文實驗所選取的劑量點分別為80 krad(Si),200 krad(Si), 300 krad(Si), 500 krad(Si) 和1 Mrad(Si).器件輻照后的電學特性測試均在實驗結束后1 h內完成, 直流電參數測試在半導體參數分析儀Agilent B1500, BC 3193 和 Keithley 4200上進行.

實驗采用低頻噪聲測試系統對AlGaN/ GaN HEMT器件輻照前后的低頻噪聲特性進行了測量.

每單位頻率所攜帶的功率被稱為功率譜密度(power spectral density, PSD), 通常情況下可由信號的頻率密度乘以一個適當的系數后得到.通過對噪聲功率譜的測量, 可以對噪聲信號的能量隨頻率的分布情況進行描述, 如低頻噪聲的功率譜密度隨頻率的增大而減小.

AlGaN/GaN HEMT器件低頻噪聲測量系統如圖2所示.該系統使用半導體參數測試儀Agilent B1500的SMU單元監控AlGaN/GaN HEMT器件的電學參數變化, 使用SR785頻譜分析儀測量AlGaN/GaN HEMT器件溝道電流的噪聲功率譜密度, 用Proplus 9812B噪聲測量系統的濾波與低頻噪聲放大單元[17].

圖2 AlGaN/GaN HEMT 器件的低頻噪聲測量系統[17]Fig.2.AlGaN/GaN HEMT devices’ low frequency noise measurement system.

3 實驗結果分析

3.1 AlGaN/GaN HEMT器件電離輻照敏感參數

對所有偏置下器件輻照前后的直流參數進行分析對比, 發現器件的直流參數均有明顯的退化.輻照前后零偏條件下功率AlGaN/GaN HEMT器件的輸出特性曲線和轉移特性曲線如圖3所示.

圖3 零偏下 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后輸出特性曲線(a)與轉移特性曲線(b)Fig.3.The output characteristic curve (a) and transfer characteristic curve (b) of the AlGaN/GaN HEMT device before and after irradiation under the zero-bias.

從輸出特性曲線提取的柵壓VGS= 0 V時所有偏置下AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的飽和漏電流 IDSsat與從轉移特性曲線提取的器件輻照前后最高跨導 gmmax的變化如表2所列.

由表2可知, 在零偏下, 輻照后AlGaN/GaN HEMT器件飽和漏電流 I DSsat 和最高跨導 g mmax 退化幅度最大, 分別降低了36.28%與52.94%.

表2 不同偏置下 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后飽和漏電流與最高跨導的變化Table 2.Variation of saturation drain current and maximum transconductance before and after irradiation in AlGaN/GaNHEMT devices with different biases.

從轉移特性曲線還提取出了不同偏置下AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓隨60Co g射線輻照劑量的變化情況, 結果表明關態和半開態下AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓在60Co g射線輻照前后幾乎沒有變化, 零偏條件下出現了1.5%的正漂, 說明輻照對閾值電壓的影響很小.二維電子氣 (2-dimensional electron gas, 2 DEG)中的總電荷 ns與閾值電壓 Vth之間的關系為[18]

其中 ε 是 AlGaN的介電常數, d是 AlGaN/GaN異質結的AlGaN勢壘層厚度.輻照前后AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓變化很小, 結合(1)式可知 ns幾乎不受60Co g射線輻照的影響.

AlGaN/GaN HEMT器件的氧化物介質層在g射線輻照下產生電子-空穴對, 大部分電子很快被掃出柵源和柵漏間隔區對應的氧化物區域, 只有少部分電子和空穴發生復合, 所以大部分空穴留在氧化物內, 在內建電場的作用下緩慢向氧化物與AlGaN界面移動.同時, g射線輻照也在器件的柵源和柵漏間隔區產生表面態負電荷, 這些表面態負電荷會對柵源和柵漏間隔區下方對應的2DEG產生一定的耗盡作用, 導致漏和源串聯電阻明顯增加.在關態和半開態下, 由于柵電極上加的負壓形成的電場遠大于器件的內建電場, 所以空穴會向柵電極移動, 不會對柵電極下方對應的界面態產生明顯影響, 因而柵電極下面對應溝道的2DEG面密度沒有受到g射線輻照的影響, 閾值電壓基本沒有發生改變, 如圖4(a)所示.在零偏條件下, 由于柵電極上電壓為零, 柵電極下方對應的氧化物在g射線輻照下產生的電子在內建電場的作用下向柵電極移動并留在柵電極上, 使柵電極表面表現為微弱的負壓狀態, 阻礙空穴向氧化物-AlGaN界面移動,但還是有部分空穴移動到氧化物-AlGaN界面, 通過電荷感應對柵電極下方對應溝道的2DEG產生一定的耗盡作用, 如圖4(b)所示.因此零偏條件下, AlGaN/GaN HEMT器件的閾值電壓出現了較小的正漂.

當柵壓處于比較低的水平時, 柵電極下方對應的溝道電阻是構成源漏導通電阻的主要部分, 柵源和柵漏間隔區下方對應的溝道電阻在整個源漏導通電阻中所占的比例比較小, 故在此條件下g射線輻照對漏極飽和電流影響較小; 而當柵壓處于比較高的水平時, 柵下方對應的溝道電阻比較小, 柵源和柵漏間隔區下方對應的溝道電阻在整個源漏導通電阻中所占的比例比較大, 故在此條件下g射線輻照對漏極飽和電流影響較大.這就很好地解釋了為什么隨著柵壓的增加, AlGaN/GaN HEMT器件的漏極飽和電流在g射線輻照下越來越嚴重[19].

圖4 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照時的電荷分布圖(a)關態和半開態; (b)零偏Fig.4.Charge distribution patterns of AlGaN/GaN HEMT devices: (a) The off and semi-on states; (b) zero-bias.

3.2 電離輻照對AlGaN/GaN HEMT器件低頻噪聲特性的影響

在不同偏置條件下, 輻照前后AlGaN/GaN HEMT器件的低頻噪聲特性(溝道電流 IDS歸一化噪聲功率譜密度隨頻率的變化)如圖5所示.

由圖5可知, AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后的溝道電流噪聲功率譜密度隨頻率的變化遵循1/f的變化規律, 滿足經典的低頻噪聲理論.由文獻[20]可知輻照誘生氧化物陷阱是導致AlGaN/GaN HEMT器件性能退化的主要原因.基于McWhorter模型, AlGaN/GaN HEMT 器件的 1/f噪聲主要是由勢壘層內陷阱和缺陷態對載流子的俘獲與釋放過程產生的載流子隨機漲落所引起的.AlGaN/GaN HEMT器件的溝道電流歸一化噪聲功率譜密度可以由(2)式大致表征[21?23]

式中f為頻率, CMOS?HEMT是單位面積柵下勢壘層電容, k?因子取決于勢壘層內缺陷俘獲和載流子釋放等效應, VGS?Vth為過驅動電壓.

比較輻照前后AlGaN/GaN HEMT器件的噪聲功率密度譜, 不難看出輻照后器件的噪聲功率密度譜均出現了增加, 其中關態下噪聲功率譜密度增加得最小, 零偏下噪聲功率譜密度增加幅度最大.這是由輻照產生的界面態、表面陷阱和氧化層陷阱電荷共同作用導致的.輻照后上述的電荷密度增加, 勢壘層內的電荷在隧穿機理下的交互行為加劇, 這就會使 (2) 式中 k?因子增大, 進而導致器件的歸一化噪聲功率密度譜增加.

為了更加深入描述輻照總劑量對氧化層陷阱電荷、界面陷阱等電荷的影響, 需要利用平帶電壓噪聲功率譜密度 SVfb, 獲得 AlGaN/GaN HEMT器件氧化物-AlGaN界面附近陷阱電荷與缺陷的空間分布情況.

基于 McWhorter模型, AlGaN/GaN HEMT器件的溝道電流歸一化噪聲功率密度譜密度與平帶電壓噪聲功率譜密度之間的關系可以表示為[23?27]

式中 gm是AlGaN/GaN HEMT器件的跨導.

當頻率在 25 Hz 時, AlGaN/GaN HEMT 器件溝道電流歸一化噪聲功率譜密度隨溝道電壓和溝道電流的變化如圖6、圖7所示.結合(4)式, 可從圖7中提取出不同偏置條件下AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后平帶電壓噪聲功率譜密度SVfb的變化, 如表3所列.

缺陷密度 Nt與平帶電壓噪聲功率譜密度SVfb之間的關系為[23?25,27]

式中 l是隧穿衰變距離, 在氧化物中通常為0.1 nm.利用 (5)式可以得到不同偏置條件下AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的缺陷密度,如表4所列.

圖5 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后溝道電流歸一化噪聲功率譜密度 (a)關態; (b)半開態; (c)零偏Fig.5.Normalized channel current noise power spectral density in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation:(a) OFF state; (b) SEMI-ON state; (c) zero-bias.

表3 不同偏置下 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后平帶電壓噪聲功率譜密度 (單位: V2·Hz–1)Table 3.Flat-band voltage noise power spectral density in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation under different biases (in V2·Hz–1).

表4 不同偏置下 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后缺陷密度 (單位: cm–3·eV–1)Table 4.The defect density in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation under different biases (in cm–3·eV–1).

圖6 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后溝道電流歸一化噪聲功率譜密度隨過驅動電壓的變化(點: 測量值; 實線:擬合值) (a)關態; (b)半開態; (c)零偏Fig.6.Normalized channel current noise power spectral density versus overdrive voltage in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation: (a) OFF state;(b) SEMI-ON state; (c) zero-bias (dot: measured value; continuous line: fitted value).

圖7 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后溝道電流歸一化噪聲功率譜密度隨溝道電流的變化 (f = 25 Hz, 點: 測量值;實線: 擬合值) (a) 關態; (b); 半開態; (c) 零偏Fig.7.Normalized channel current noise power spectral density versus channel current in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation: (a) OFF state;(b) SEMI-ON state; (c) zero-bias (f = 25 Hz, dot: measured value; continuous line: fitted value).

從表4中不難看出, 關態下器件輻照后缺陷密度增加幅度最小, 為31.46%, 零偏下增加幅度最大, 為 62.31%.就本文實驗使用的器件而言, 輻照主要是在氧化物層產生缺陷, 上述結果說明60Co g射線輻照會導致AlGaN/GaN HEMT器件氧化物層中缺陷密度增加, 并且在零偏條件下增加幅度最大, 這一結果與上文中的直流特性分析十分符合.

基于電荷隧穿機理, AlGaN/GaN HEMT 器件中低頻噪聲的主要來源是氧化物層內陷阱對載流子的俘獲與釋放過程.由于電荷在氧化物層內的隧穿距離受時間常數 τ (τ=1/(2πf)) 的影響, 所以電荷在氧化物層內的隧穿距離與頻率之間的關系為[7,25,28]

圖8 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前后勢壘層內陷阱電荷密度的空間分布 (a)關態; (b)半開態; (c)零偏Fig.8.Extracted spatial distribution of trapped charges in the AlGaN/GaN HEMT devices’ barrier layer: (a) OFF state; (b) SEMI-ON state; (c) zero-bias.

式中 τ0為氧化物層內電荷隧穿的時間常數, 典型值為 10–10s; z 為陷阱電荷距氧化物-AlGaN 界面的距離(深度).由(6)式可知, 電荷在氧化物界面層的隧穿能力與其距界面的距離呈e指數減小.

利用(5)式和(6)式, 結合圖5, 可以獲得AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后勢壘層內部陷阱電荷的空間分布情況, 如圖8所示.從圖8中可知, 輻照后AlGaN/GaN HEMT器件氧化物層內的陷阱電荷密度均明顯增加了, 且零偏下增加幅度最大, 這與輻照誘生氧化物層固定電荷等理論很好符合.使用1/f低頻噪聲的電學表征手段, 可以對輻照前后AlGaN/GaN HEMT器件氧化物層中缺陷電荷的變化進行定量描述, 為器件抗輻照加固的評價與考核, 以及無損篩選提供一種新的表征方法.

4 結 論

本文針對不同偏置條件下AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后電學特性和低頻噪聲特性的變化開展了實驗研究.實驗結果表明, 受輻照誘生氧化物層缺陷電荷的影響, AlGaN/GaN HEMT器件的飽和漏電流減小、最高跨導降低、溝道電流歸一化噪聲功率譜密度幅值上升, 其中零偏條件下上述參數變化最大, 說明零偏是AlGaN/GaN HEMT器件輻照的最劣偏置.本文還針對AlGaN/GaN HEMT器件輻照前后的低頻噪聲特性進行了理論研究, 并得到了氧化物層內缺陷密度的變化.最后, 基于電荷隧穿模型獲得了輻照前后氧化物層內陷阱電荷的空間分布.本文的相關研究成果可用于AlGaN/GaN HEMT器件抗輻照加固的評價與考核, 以及器件表征中.