AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管器件中子位移損傷效應及機理

郝蕊靜 郭紅霞 ? 潘霄宇 呂玲 雷志鋒 李波 鐘向麗 歐陽曉平 董世劍

1) (湘潭大學材料與工程學院, 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) (西北核技術研究院, 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)

1 引 言

GaN材料具有優異的物理和化學性能, 包括大的臨界擊穿電壓、大的電子飽和漂移速度和高熱導率等, 適用于制造高頻大功率器件[1]. 同時, 相比于GaAs材料和Si材料, GaN材料的禁帶寬度更大, 因此它的抗輻射性能更好, 在航空航天領域有著更廣闊的應用前景[2,3]. 然而, 空間環境對器件的可靠性要求較高, 粒子輻射對器件造成的位移損傷效應會影響其長期穩定地工作, 目前這一問題限制著GaN器件在航空航天領域的應用[4].

中子是核輻射環境中造成半導體器件位移損傷效應的主要粒子之一. 近幾年來, 國內外對AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管(HEMT)器件開展了一些中子輻照實驗研究. 2010年Gu等[3]對中子輻照AlGaN/GaN HEMT器件的電特性進行研究, 發現當輻照注量低于 1014n/cm2時, 器件的電學特性無明顯變化, 而柵極泄漏電流有所增加. 2011 年 Wang 等[1]對 AlGaN/GaN HEMT 器件建立了中子原位測試技術和輻照效應實驗方法,研究了電離效應和位移效應對器件電學性能的影響, 發現閾值電壓、漏電流和柵泄漏電流是中子輻照損傷的敏感參數. 2018年Zhang等[5]在室溫下用1 MeV的中子對p-GaN功率晶體管器件進行注量為 1.5 × 1015n/cm2輻照實驗, 輻照后器件的閾值電壓沒有發生明顯變化, 柵極電壓比較大時,飽和漏電流在輻照后減小. 根據目前國內外對GaN基HEMT器件的中子輻照實驗研究可以看出, 中子在一定注量時會對器件的電學特性產生影響, 比如飽和漏電流、跨導和閾值電壓等, 研究位移損傷效應對器件性能的影響是整個器件性能研究中很重要的一部分. 并且, 對于位移損傷引起的器件性能的退化機制, 很多研究者都認為是在禁帶中引入了缺陷造成的, 而缺陷種類及缺陷密度的變化, 尚未形成一個統一的認識. 所以, 采用新的表征手段來表征位移損傷造成的缺陷影響至關重要.

1/f噪聲是一種在半導體器件中功率譜密度與頻率成反比的隨機漲落現象, 它可以反映出半導體材料與器件的潛在缺陷[6]. 與材料質量相關的壓電極化效應, 或者熱載流子在源漏區與陷阱的相關作用, 導致的表面態和深能級缺陷的俘獲和發射過程都可以用1/f噪聲測試表征. 采用1/f噪聲手段,可以對器件界面處的陷阱能量和空間分布進行計算分析, 也可得到輻照前后的缺陷濃度變化[7?9].2015年, 劉遠等[10]采用1/f噪聲的分析方法對電離輻射前后的部分耗盡絕緣體上硅器件進行測試分析, 實驗發現器件背柵平帶電壓噪聲功率譜密度增大, 埋氧化層內的陷阱電荷密度在輻射后增多.2020 年, 董世劍等[11]針對 AlGaN/GaN HEMT器件進行了60Cog射線電離輻照實驗, 實驗采用1/f噪聲的分析方法, 發現電離輻照會在器件氧化物層內誘生缺陷電荷和界面態, 從而影響器件的電學性能. 本論文采用1/f噪聲的表征手法推斷出了缺陷主要產生的區域, 并對中子輻照前后的器件內缺陷濃度進行了詳細的計算. 同時, 本文針對AlGaN/GaN異質結構進行了中子輻照實驗, 利用C-V測試的方法, 分析了中子輻照引入的體缺陷對載流子濃度的影響. 雖然現在已有部分研究者做了中子輻照電學特性研究的相關實驗, 但是關于1/f噪聲的特性卻少有報道, 本文將器件的電學特性與1/f噪聲特性結合起來, 深入分析了中子位移損傷效應對器件的影響, 同時針對器件的異質結構也開展了輻照實驗, 為器件的損傷機理分析提供了更有價值的參考.

2 實 驗

2.1 實驗樣品

本次實驗選用的器件結構簡圖如圖1所示. 該器件采用金屬-有機化學氣相沉積(MOCVD)法在碳化硅(0001)晶面襯底上生長了AlGaN/GaN異質結結構. 該外延結構從襯底向上由核層2 μm厚的非故意摻雜GaN層和20 nm厚的非故意摻雜Al0.25Ga0.75N勢壘層組成. 采用Cl2反應離子刻蝕(RIE)進行臺面隔離. 電子束蒸發Ti/Al/Ni/Au(20 nm/160 nm/55 nm/45 nm)在 850 ℃ 下連續退火 30 s, 實現了歐姆接觸. 接著是 60 nm 的等離子體增強化學氣相沉積(PECVD) SiN鈍化層. 用RIE方法去除柵區 SiN, 然后沉積 Ni/Au/Ni(45 nm/200 nm/20 nm)金屬堆, 形成肖特基接觸.器件柵長 1 μm, 柵寬 50 μm, 柵源間距 2.5 μm, 源漏間距 10 μm.

圖 1 AlGaN/GaN HEMT 器件結構圖Fig. 1. Structure diagram of AlGaN/GaN HEMT device.

2.2 實驗設置

中子輻照實驗在西安脈沖反應堆開展, 該輻射場是中子和伽馬射線的混合場, 實驗過程取1 MeV等效中子注量, 脈沖反應堆中的屏蔽金屬盒可以調節中子和伽馬射線之比, 本次實驗采用的 n/g比為 6.1 × 109n/cm2·rad (Si). 實驗過程中, 反應堆 1 MeV 等效中子注量達到 1 × 1014n/cm2即停止輻照, 器件在輻照過程中不加偏置, 實驗溫度為室溫. 利用半導體參數分析儀Agilent B1500對實驗器件進行電學性能測試, 并使用博達微科技快速低頻噪聲測量系統NC300對器件進行低頻噪聲測試, 對性能完好的器件進行記錄并保存測試數據. 測試參數設置如表1所列,VG為柵極電壓,VD為漏極電壓,VS為源極電壓,VSTEP為電壓步長.

表 1 實驗參數Table 1. Experimental parameters.

3 實驗結果分析

3.1 AlGaN/GaN HEMT器件電學特性變化

對中子輻照前后的AlGaN/GaN HEMT器件進行電學特性敏感參數測試分析, 發現器件的電學特性在中子輻照后有明顯退化. 輻照前后的轉移特性曲線和輸出特性曲線如圖2和圖3所示.

圖 2 中子輻照前后 AlGaN/GaN HEMT 器件轉移特性曲線Fig. 2. Transfer characteristic curve of AlGaN/GaN HEMT device before and after irradiation.

圖 3 中子輻照前后 AlGaN/GaN HEMT 器件輸出特性曲線Fig. 3. Output characteristic curves of AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation.

從圖2和圖3中可以看出, 中子輻照后器件的跨導和輸出飽和漏電流都有所降低, 計算得出輻照后跨導僅降低了3%, 且最高跨導對應的柵壓沒有發生改變, 閾值電壓經計算發現只有輕微的正漂,而輸出飽和漏電流卻有明顯的降低, 這些變化說明器件溝道內的載流子濃度和遷移率發生了變化.

由于AlGaN/GaN HEMT器件在柵極采用肖特基接觸, 在異質結處有很強的極化效應, 所以器件工作方式主要是耗盡模式. 當在肖特基柵極上加一個負的偏壓時, 器件溝道內的二維電子氣將會被耗盡, 這一電壓就是晶體管的閾值電壓, 它是HEMT器件中最重要的電學參數之一, 表示為[12]

其中Vth是閾值電壓,dd是摻雜的AlGaN層厚度,Nd是AlGaN層的摻雜濃度,?B(x) 是肖特基勢壘高度, ?Ec(x) 是導帶不連續,ε(x) 是 AlGaN 的介電常數,x是 AlGaN 中鋁的摩爾組分,σ(x) 為異質結界面感生的極化電荷密度. 器件中的二維電子氣主要是由極化電荷引起的,σ(x) 可表示為[13]:

從而, 二維電子氣中的總電荷可以根據泊松方程(Poisson equation)和 薛 定 諤 方 程 (Schr?dinger equation)求出來, 設只有兩種初始的量子態E0和E1, 則二維電子氣的總電荷數ns表示為[14]

其中D=4πm?/h2是導帶密度,m?=0.20m0是電子有效質量,EF是二維勢阱的費米能級,k是玻耳茲曼常數,T是溫度. 則在耗盡近似的情況下, 二維電子氣中的總電荷ns可以表示為[14]:

其中,d是薄層電荷和柵極之間的距離,VGS是柵極電壓,EF是二維勢阱的費米能級. 根據上述公式,可以知道閾值電壓與載流子密度緊密相關, 載流子密度減小造成閾值電壓增大, 這是由于中子輻照后在器件內產生類受主型缺陷, 俘獲電子后導致載流子密度減小引起的. 根據電流密度方程, 器件溝道內的源漏電流(IDS) 和跨導(Gm)分別表示為[15]:

其中,W是柵寬,v(x) 是電子速度, 達到最大時為飽和電子速度vs. 當溝道電場達到臨界電場時, 電子速度就達到了飽和電子速度vs, 但當溝道電場小于臨界電場時, 溝道遷移率就決定了溝道電子速度, 當溝道電場沒有達到臨界電場時, 電流表示為[15]:

其中,Vch是溝道x處的電勢,μ是溝道載流子遷移率,由于在柵源和柵漏之間存在著寄生電阻RS和RD,則柵極下方溝道內的電勢邊界條件分別表示為[15]:

根據HEMT器件溝道長短, 使VGT表示長溝道器件的飽和電壓,VL表示短溝道器件的飽和電壓,VDS表示漏極電壓, 故而當器件在線性區域工作時,電流表示為[15,16]:

其中β為跨導系數, 表示為

當器件在飽和區工作時, 電子速度達到最大,即達到溝道電流飽和值IDast[15,16]:

根據上述公式可以推斷出影響器件敏感參數退化的主要因素. 中子輻照器件后, 會在器件內造成深能級缺陷以及一些電子陷阱, 從而產生載流子去除效應且增加陷阱隧穿. 根據實驗結果的轉移特性曲線可以看出, 中子輻照后, 器件的跨導和閾值電壓都變化很小, 經過計算發現, 最高跨導僅僅降低了3%, 閾值電壓有輕微正漂, 這主要是因為中子輻照器件后在GaN層中引入了受主型陷阱[17],使得異質結界面的電場增大, 閾值電壓正漂. 對比輸出特性曲線發現, 輸出飽和漏電流的退化較大,聯系(7)式可以看出, 這主要是因為溝道載流子遷移率的退化. 中子輻照器件后, 會在HEMT器件內產生不同種類的缺陷和缺陷簇, 部分缺陷會形成散射中心, 發生庫侖散射, 使得二維電子氣的遷移率退化. AlGaN/GaN HEMT器件的柵特性一直備受關注, 本次實驗器件在中子輻照后, 柵極泄漏電流有所增加, 如圖 4所示. 分析可得, 中子輻照器件后, 在AlGaN層中引入輻照缺陷作為隧穿中心, 加大了柵極電流的隧穿幾率, 肖特基勢壘高度也隨之降低.

圖 4 中子輻照前后 AlGaN/GaN HEMT 器件柵特性曲線Fig. 4. Gate characteristic curve of AlGaN/GaN HEMT device before and after irradiation.

3.2 AlGaN/GaN HEMT器件 1/f 噪聲特性變化

使用西安電子科技大學提供的低頻噪聲測試儀對中子輻照前后的AlGaN/GaN HEMT器件進行低頻噪聲測試, 測試參數如表1所示. 測試過程中選取了多個不同的柵壓, 經過數據處理發現, 在輻照前后的各個器件溝道電流歸一化噪聲功率譜密度變化一致, 如圖5所示.

由圖5可以看出, 器件在經過中子注量1 ×1014n/cm2的輻照后, 溝道電流的歸一化噪聲功率譜密度有明顯提高. 對于AlGaN/GaN HEMT器件, 可以通過測量不同柵壓下的低頻噪聲功率譜密度, 計算分析溝道內的陷阱以及陷阱俘獲現象. 在漏極偏壓固定時, 可以測得電流功率譜密度SID,基于 Mc Whorter’s數量波動模型可得, 歸一化噪聲功率譜密度與柵極平帶電壓噪聲功率譜密度SVfb有很好的關聯性, 二者之間關系表示為[18]:

其中,SVfb只與器件界面附近的陷阱電荷、結構尺寸等參數有關,Gm是器件跨導. 取頻率為 25 Hz時的實驗數據, 擬合出如圖6所示的歸一化溝道電流噪聲功率譜密度隨輸出電流的變化曲線.

圖 5 AlGaN/GaN HEMT 器件輻照前與輻照后溝道電流歸一化噪聲功率譜密度 (a) 輻照前; (b) 輻照后Fig. 5. Normalized noise power spectral density of channel current in AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation: (a) Before irradiation; (b) after irradiation.

根據(13)式和圖6可以看出, 輻照后的擬合曲線高于輻照前, 說明溝道界面附近的缺陷電荷俘獲以及缺陷陷阱引起的載流子數量波動會產生溝道噪聲. 而且輻照后的平帶電壓噪聲功率譜密度SVfb高于輻照前, 而柵極平帶電壓噪聲功率譜密度SVfb與器件內的缺陷密度Nit關系為[19]:

其中λ為 AlGaN/GaN HEMT 器件的導帶因子,λ=0.5 nm;W和L分別為器件的柵寬和柵長;Cb是器件中AlGaN勢壘層的電容. 利用(14)式可以計算得到實驗前后器件內部缺陷的變化如表2所示.

表2的計算結果表明, 中子輻照會在器件內部引入新的缺陷, 使得器件內缺陷密度增大. 圖7展示了典型結構的AlGaN/GaN HEMT器件中噪聲缺陷可能產生的位置以及噪聲種類[20,21].

圖 6 輻照前后歸一化溝道電流噪聲功率譜密度與輸出電流的關系Fig. 6. Normalized channel current noise power spectral density versus channel in the AlGaN/GaN HEMT devices before and after irradiation.

表 2 輻照前后噪聲參數變化Table 2. Noise parameter changes before and after irradiation.

圖 7 典型結構的 AlGaN/GaN HEMT 器件中噪聲-缺陷源位置[20,21]Fig. 7. Location of noise-defect sources in AlGaN/GaN HEMT devices with typical structure[20,21].

從圖7中可以看出, 1/f噪聲主要是在AlGaN/GaN界面以及AlGaN勢壘層與柵極界面處產生.中子輻照AlGaN/GaN HEMT器件后, 歸一化溝道電流功率譜密度增大, 結合中子輻照器件引發位移損傷缺陷的物理過程進行分析. 中子不帶電, 其入射到半導體材料內能夠足夠接近并撞擊晶格原子, 使得晶格原子偏離原來的點陣位置而產生空位缺陷, 這些缺陷分布在AlGaN勢壘層以及器件溝道內, 使得溝道內歸一化電流功率譜密度增大. 此外, 中子輻照在肖特基接觸的柵極以及柵極下方的AlGaN勢壘層中產生了新的缺陷, 這些缺陷充當俘獲中心和散射中心來俘獲溝道載流子和散射電子, 使得載流子數量減小、遷移率降低, 造成閾值電壓的正向漂移、飽和漏電流下降, 而在柵極誘發的缺陷又會作為隧穿中心輔助隧穿, 使得柵泄漏電流增大, 這與3.1節測得的電學特性相符合.

3.3 AlGaN/GaN異質結的中子輻照效應

根據以上實驗結果可知, 中子輻照器件后引入的體缺陷會使得載流子數量減少, 遷移率降低, 然而這些體缺陷產生的位置仍然值得探討, 所以同時針對體缺陷主要產生的位置開展了中子的輻照實驗, 并利用C-V測試的手段計算出輻照前后載流子濃度的變化. 實驗采用的樣品器件是針對AlGaN/GaN異質結制作的一個肖特基二極管, 生長工藝與3.1節中的HEMT器件相同, 肖特基二極管的結構簡圖如圖8所示, 實驗條件與器件實驗相同, 實驗設置參數如表3所示.

對實驗樣品進行輻照前后的C-V測試, 提取輻照前后不同頻率下的C-V數據作圖, 圖9展示了中子輻照前后的肖特基二極管在1 MHz時電容隨偏置電壓的變化曲線.

圖 8 肖特基二極管器件結構圖 (a)剖面圖; (b)俯視圖Fig. 8. Schottky diode device structure diagram: (a) Crosssectional view; (b) top view.

表 3 實驗參數設置Table 3. Experimental parameters.

圖 9 中子輻照前后的肖特基二極管在 1 MHz 時電容隨偏置電壓的變化Fig. 9. Variation curves of capacitance with bias voltage of Schottky diode before and after neutron irradiation at 1 MHz.

從C-V結果圖可以看出, 輻照前, 器件的開啟電壓大約在–3.5 V 左右. 在中子輻照以后, 平帶電壓 ?Vfb有一個正向的漂移, 漂移值約0.2 V左右.這是由于中子輻照在異質結處引入了體缺陷, 這些缺陷會形成俘獲陷阱中心來俘獲電子, 從而造成平帶電壓的正向漂移. 為了更進一步地分辨出這些缺陷所在的位置, 就需要知道中子輻照前后的載流子濃度變化, 載流子濃度NCV可以通過(15)式[22]得到,

其中,x是載流子距 AlGaN 層的距離,C是在VGS下每單位面積的肖特基勢壘層電容,A是肖特基接觸的面積,εr和ε0分別是勢壘層中材料的相對介電常數和真空介電常數. 基于圖9和(15)式可以得到圖10載流子濃度隨深度的變化.

從圖10可以很明顯看出中子輻照后載流子濃度峰值明顯下降, 這說明在中子輻照后有更多的電子被俘獲. 推斷這是由于二維電子氣溝道內的部分電子被轉移到了AlGaN層的體缺陷內, 如圖11所示. 這些被俘獲的電子就引起了平帶電壓的正向漂移, 也就是發生了所謂的載流子去除效應.

圖 10 載流子濃度隨深度的波動函數Fig. 10. Fluctuation function of carrier concentration with depth.

圖 11 二維電子氣溝道內電子轉移到體缺陷示意圖Fig. 11. Schematic diagram of electron transfer to bulk defects in the two-dimensional electron gas channel.

為了證實這一點, 就需要對載流子重分布對平帶電壓轉移的影響進行定量評估, 利用(16)式[23]進行定量評估, 此時只考慮AlGaN層中被俘獲的電子對平帶電壓轉移的影響,

其中,C0是肖特基區域AlGaN層中單位面積的電容值,d0是 AlGaN 層厚度,NCV(x) 和分別是輻照前后AlGaN層中深度x時的電子濃度. 通過(16)式計算出 ?Vfb=0.19V≈0.2V . 該結果表明平帶電壓的漂移主要是由于AlGaN層中的缺陷陷阱進行了電子俘獲, 根據這些可以推斷出在中子輻照后, AlGaN層中產生的體缺陷引發了載流子去除效應. 本次實驗工作提供了一個直接的實驗結果, 證明中子輻照后的體缺陷分布狀況. 根據以上可以得出結論, 二維電子氣溝道內的部分電子在中子輻照后會轉移到AlGaN層的體缺陷中, 同時,轉移的這部分電子對二維電子氣溝道也有一個耗盡作用, 這就使得電子濃度降低, 在HEMT器件中, 它能引起輸出飽和漏電流減少.

4 結 論

本文實驗工作針對AlGaN/GaN HEMT器件開展了中子位移損傷效應研究, 通過電學特性和1/f噪聲特性表征方法對器件輻照前后的性能進行了測試表征, 實驗結果發現中子輻照在器件溝道內引入的體缺陷會導致器件電學性能退化, 并且輻照前后器件溝道內的缺陷密度由 1.78 × 1012cm–3·eV–1增大到了 1.66 × 1014cm–3·eV–1. 同時針對 AlGaN/GaN異質結構也進行了中子輻照實驗, 利用CV測試的方法得到了輻照前后器件內載流子濃度的變化, 并且推斷出中子引入的體缺陷主要分布在AlGaN層. 本實驗研究結果可用于AlGaN/GaN HEMT器件抗輻照加固設計方面.

在實驗過程中, 得到了西安脈沖堆運行操作人員熱情周到的服務, 他們精準可靠的輻照控制對項目順利實施幫助良多, 在此深表感謝！