基于凹槽結(jié)構(gòu)抑制AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管電流崩塌效應(yīng)*

劉靜 王琳倩 黃忠孝

(西安理工大學(xué)電子工程系, 西安 710048)

基于雙脈沖技術(shù), 研究了GaN緩沖層陷阱對(duì)AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管電流崩塌效應(yīng)的影響.結(jié)果表明, 柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)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(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu), 降低了柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值, 使電場(chǎng)分布更加均勻, 改善了器件的電流崩塌效應(yīng).與傳統(tǒng)AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管結(jié)構(gòu)相比, 新器件結(jié)構(gòu)對(duì)電流崩塌效應(yīng)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(chǎng)等優(yōu)異的材料特性, 因此GaN基器件不僅在光電領(lǐng)域得到廣泛關(guān)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(lǐng)域取得了重大進(jìn)展[4-6], 但在穩(wěn)定性和可靠性等方面的問(wèn)題仍限制著GaN基器件的廣泛應(yīng)用[7-11], 其中由陷阱效應(yīng)導(dǎo)致的電流崩塌對(duì)器件性能影響較為嚴(yán)重[12-14].電流崩塌效應(yīng)產(chǎn)生的原因一般認(rèn)為有兩個(gè)因素：其一是表面陷阱在器件工作過(guò)程中俘獲電子, 在表面形成一定的電勢(shì),影響溝道中的耗盡層, 從而導(dǎo)致漏極電流的減小,即所謂的“虛柵”效應(yīng); 另一個(gè)因素是由于緩沖層陷阱俘獲溝道熱電子導(dǎo)致的[15,16].

對(duì)于表面陷阱的影響, 采用鈍化技術(shù)[17,18]或場(chǎng)板結(jié)構(gòu)[19-21]可以使其有效降低, 而對(duì)于緩沖層陷阱, 尤其是緩沖層深能級(jí)陷阱對(duì)電流崩塌的影響仍得不到很好的解決, 因?yàn)檫@些陷阱可以抑制緩沖層泄漏電流以及短溝道效應(yīng), 它是器件正常工作所必需的[22].因此, 進(jìn)一步研究緩沖層陷阱對(duì)電流崩塌的影響機(jī)理, 提出改善電流崩塌效應(yīng)的方法是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題.

本文對(duì)傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件在緩沖層陷阱影響下的電流崩塌機(jī)理進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值是導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)的關(guān)鍵因素.為進(jìn)一步抑制電流崩塌效應(yīng), 提出了勢(shì)壘層局部凹槽的AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu),對(duì)新結(jié)構(gòu)器件電流輸運(yùn)機(jī)理進(jìn)行了研究.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (technology computer aided design, TCAD)仿真結(jié)果表明了新結(jié)構(gòu)抑制電流崩塌效應(yīng)的可行性和有效性[23].

2 器件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)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(shì)壘層.柵長(zhǎng)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(cè)形成較高的電場(chǎng)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(dǎo)致電流崩塌效應(yīng).本文提出勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的是,在AlGaN勢(shì)壘層中靠近漏極的柵邊緣引入了長(zhǎng)為L(zhǎng), 高為H的凹槽結(jié)構(gòu), 其中凹槽部分由Si3N4填充.凹槽結(jié)構(gòu)通過(guò)降低柵邊緣的電場(chǎng)峰值, 使電場(chǎng)分布更加均勻, 改善了器件的電流崩塌效應(yīng).

圖1 AlGaN/GaN HEMT 結(jié)構(gòu)示意圖 (a)傳統(tǒng) AlGaN/GaN HEMT; (b)勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu) 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(jié)果與分析

3.1 電流崩塌效應(yīng)機(jī)理

采用雙脈沖技術(shù)對(duì)器件的電流崩塌效應(yīng)進(jìn)行研究, 脈沖波形及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖2所示, 靜態(tài)偏置 (VgQ,VdQ)為 (—5 V, 20 V), 測(cè)試偏置 (Vg,Vd)為 (0 V, 5 V).靜態(tài)偏置時(shí)間持續(xù)到t= 10—7s,靜態(tài)偏置到測(cè)試偏置的上升時(shí)間為t= 10—8s, 測(cè)試偏置階段從t= 1.1 × 10—7s開(kāi)始持續(xù)到t=10 s結(jié)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(tǒng)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(shí), 器件進(jìn)入測(cè)試偏置階段, 但輸出電流未能直接達(dá)到穩(wěn)定值, 而是保持在一個(gè)初始值持續(xù)一段時(shí)間 (從t= 1.1 × 10—7s 至t= 10—4s)后才逐漸增大到穩(wěn)定值, 圖3所示結(jié)果表明AlGaN/GaN HEMT器件具有顯著的電流崩塌效應(yīng).為深入分析電流崩塌產(chǎn)生機(jī)理, 將測(cè)試偏置階段分為三個(gè)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(shí)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(wěn)定階段.在t= 10—7s之前器件處于靜態(tài)偏置階段, 柵壓小于閾值電壓, 柵下溝道耗盡, 器件工作在關(guān)斷狀態(tài).柵漏之間電勢(shì)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?yōu)?0 V, 器件處于測(cè)試偏置階段, 柵下溝道可以很快響應(yīng), 但緩沖層陷阱的響應(yīng)比較慢, 此時(shí)溝道中2DEG濃度較小, 電流未能達(dá)到穩(wěn)定值而是保持在一個(gè)較小值的狀態(tài).在t= 10—4s時(shí), 隨著緩沖層深能級(jí)陷阱緩慢釋放電子, 電流逐漸增大, 在t= 2 × 10—2s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

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

在電流保持、上升和穩(wěn)定這三個(gè)階段中分別取t= 1 × 10—6s,t= 1 × 10—3s和t= 0.1 s三個(gè)時(shí)間點(diǎn), 圖4為這三個(gè)時(shí)間點(diǎn)2DEG濃度的變化情況.在X= 2.0 μm, 即柵邊緣漏側(cè), 2DEG 濃度隨時(shí)間的推移逐漸增大, 由于緩沖層陷阱的響應(yīng)較慢, 溝道不能在柵壓躍變后馬上導(dǎo)通而是隨著緩沖層陷阱緩慢釋放電子逐漸導(dǎo)通, 這也是導(dǎo)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(gè)時(shí)間點(diǎn)上陷阱被電子占據(jù)情況, 可以看出隨時(shí)間的增加緩沖層陷阱被電子占據(jù)的概率逐漸降低, 表現(xiàn)為陷阱釋放電子的過(guò)程.結(jié)合圖4和圖5可知, 電流逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)是由于緩沖層陷阱釋放電子導(dǎo)致的, 對(duì)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(jù)陷阱的情況幾乎相同, 可知, 圖5(c)處, 即t= 0.1 s時(shí), 陷阱中已無(wú)凈電荷釋放, 輸出電流Id趨于穩(wěn)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(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的器件在柵邊緣漏側(cè)附近緩沖層陷阱被電子占據(jù)的概率分布情況.可以看出, 測(cè)試偏置階段之前, 器件處于緩沖層陷阱俘獲電子的過(guò)程.在剛進(jìn)入測(cè)試偏置階段時(shí), 陷阱俘獲電子的濃度達(dá)到最大.由測(cè)試偏置階段中陷阱釋放電子的過(guò)程可知, 在柵邊緣漏側(cè)附近, 緩沖層陷阱釋放的電子來(lái)自于靜態(tài)偏置階段及靜態(tài)偏置階段向測(cè)試偏置階段的過(guò)渡狀態(tài)中陷阱俘獲的電子.

圖5 不同時(shí)刻電子占據(jù)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(jù)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(gè)時(shí)刻, 柵邊緣漏側(cè)電場(chǎng)峰值及溝道電子濃度的變化情況.可以看出, 電場(chǎng)峰值隨時(shí)間推移逐漸減小, 在t= 1.0 × 10—7s之前, 器件處于靜態(tài)偏置階段, 電場(chǎng)峰值最大, 柵邊緣漏側(cè)的溝道電子在這一高電場(chǎng)作用下發(fā)生躍遷進(jìn)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(cè)的溝道電子在被陷阱俘獲后無(wú)法獲得補(bǔ)償, 導(dǎo)致該處溝道電子耗盡.隨著時(shí)間的推移, 器件進(jìn)入靜態(tài)偏置與測(cè)試偏置之間的過(guò)渡狀態(tài), 此時(shí)器件處于半導(dǎo)通狀態(tài), 柵極下方的溝道中已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生電子, 并向柵邊緣漏側(cè)的溝道中進(jìn)行電子補(bǔ)償, 但由于柵漏間電勢(shì)差仍較大, 在電場(chǎng)峰值作用下該處的電子會(huì)繼續(xù)躍遷并被緩沖層中的陷阱俘獲.在測(cè)試偏置階段, 柵下溝道已完全打開(kāi), 柵漏間電勢(shì)差較小, 電場(chǎng)峰值也小到不足以使溝道電子發(fā)生躍遷, 為了維持平衡, 緩沖層陷阱開(kāi)始釋放電子, 導(dǎo)致柵邊緣漏側(cè)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(chǎng)分布也隨之趨于均勻, 最終電子濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).由于輸出電流的大小和溝道中2DEG密度有關(guān), 所以輸出電流也隨著時(shí)間的變化發(fā)生變化, 形成了瞬態(tài)條件下的電流崩塌效應(yīng).

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

圖8 柵極邊緣電子濃度隨時(shí)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(yīng)抑制

柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值是導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)的關(guān)鍵因素, 本文提出的AlGaN/GaN HEMT新結(jié)構(gòu)(如圖1(b)所示), 基于勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)可以顯著降低柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值, 改善器件工作過(guò)程中的電流崩塌效應(yīng).

圖9為勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在剛進(jìn)入測(cè)試偏置階段t= 1 × 10—6s的橫向溝道電場(chǎng)強(qiáng)度的分布.可以看出, 相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu), 凹槽結(jié)構(gòu)在柵邊緣漏側(cè)處的電場(chǎng)峰值低, 同時(shí)電場(chǎng)分布向漏極方向擴(kuò)展, 電場(chǎng)分布更加均勻.這是由于溝道中的2DEG主要來(lái)自勢(shì)壘層, 當(dāng)其厚度低于能夠產(chǎn)生二維電子氣的臨界厚度時(shí), 費(fèi)米能級(jí)在施主表面態(tài)能級(jí)之上, 幾乎沒(méi)有電離施主態(tài)電離, 無(wú)法形成2DEG.隨著厚度的增加, 在極化電場(chǎng)的作用下,AlGaN層的表面勢(shì)逐漸升高, 表面導(dǎo)帶下方的類施主陷阱能級(jí)相應(yīng)升高.當(dāng)表面態(tài)能級(jí)到達(dá)費(fèi)米能級(jí)后, 施主表面態(tài)發(fā)生電離, 釋放電子, 2DEG 濃度開(kāi)始逐漸增加.當(dāng)勢(shì)壘層厚度進(jìn)一步增加, 表面態(tài)完全電離, 2DEG的濃度接近飽和時(shí), 即使其厚度繼續(xù)增大, 2DEG的濃度也不會(huì)出現(xiàn)明顯的增加.由2DEG的產(chǎn)生機(jī)理可知, 在一定范圍內(nèi)2DEG的濃度會(huì)隨著勢(shì)壘層厚度的增大而增大, 凹槽的引入, 減小了凹槽下方勢(shì)壘層厚度, 該部分溝道的2DEG濃度有所降低, 使得凹槽結(jié)構(gòu)柵邊緣漏側(cè)處的電場(chǎng)分布向漏極方向擴(kuò)展, 分布更加均勻, 峰值電場(chǎng)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).

圖9 凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的溝道電場(chǎng)分布Fig.9.Channel electric field distribution of groove structure and conventional structure device.

圖10為凹槽的長(zhǎng)L為1.0 μm, 高H為0.010 μm時(shí), AlGaN/GaN HEMT勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電流崩塌曲線.可以看出, 采用了凹槽結(jié)構(gòu)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(jìn)一步分析凹槽結(jié)構(gòu)改善電流崩塌效應(yīng)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(gè)典型時(shí)間兩種器件結(jié)構(gòu)溝道電場(chǎng)分布情況.可以看出,t= 1 × 10—6s 到t=0.1 s之間, 勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)峰值變化量要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)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(gè)時(shí)間點(diǎn)下凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)溝道電子濃度分布,t= 1 × 10—6s到t= 0.1 s 時(shí)間范圍, 凹槽結(jié)構(gòu)溝道電子濃度的變化量小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致凹槽結(jié)構(gòu)電場(chǎng)的變化量小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu), 從而導(dǎo)致圖10中勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)的電流變化量減小, 電流崩塌得以改善.

圖10 凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件的電流崩塌對(duì)比Fig.10.Comparison of current collapse between groove structure and conventional structural devices.

圖11 凹槽結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件在不同時(shí)刻的溝道電場(chǎng)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(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件在不同時(shí)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(cè)試偏置階段t= 1 ×10—6s,t= 1 × 10—3s及t= 0.1 s三個(gè)時(shí)間點(diǎn)下陷阱俘獲電子濃度的變化情況, 表明凹槽結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的增加, 電子占據(jù)緩沖層陷阱濃度逐漸減小, 表現(xiàn)為釋放電子的過(guò)程, 從而導(dǎo)致溝道電子濃度的增加.器件進(jìn)入測(cè)試偏置階段時(shí), 柵下溝道完全打開(kāi), 柵漏間電勢(shì)差較小, 電場(chǎng)峰值小到不足以使溝道電子發(fā)生躍遷, 為了維持平衡, 俘獲了電子的陷阱開(kāi)始釋放電子, 導(dǎo)致柵邊緣漏側(cè)的溝道電子濃度逐漸增加.

圖13 電子占據(jù)緩沖層陷阱濃度隨時(shí)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(cè)的電場(chǎng)峰值是導(dǎo)致傳統(tǒng)AlGaN/GaN HEMT器件電流崩塌效應(yīng)的一個(gè)重要因素, 新結(jié)構(gòu)中通過(guò)引入凹槽結(jié)構(gòu)降低了該處的電場(chǎng)峰值, 器件的電流崩塌效應(yīng)得到了改善.

4 結(jié) 論

基于 AlGaN/GaN HEMT器件, 分析了 GaN緩沖層陷阱對(duì)傳統(tǒng)AlGaN/GaNHEMT電流崩塌效應(yīng)的影響, 表明柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值是產(chǎn)生電流崩塌效應(yīng)的重要因素之一, 溝道電子在峰值電場(chǎng)作用下, 發(fā)生躍遷進(jìn)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(kāi)的速度, 導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)的產(chǎn)生.相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),新結(jié)構(gòu)通過(guò)在柵極邊緣引入凹槽結(jié)構(gòu)降低柵邊緣漏側(cè)的電場(chǎng)峰值, 使得電場(chǎng)分布向漏極方向擴(kuò)展,分布更加均勻, 從而導(dǎo)致勢(shì)壘層局部凹槽結(jié)構(gòu)的電流變化量減小, 電流崩塌得以改善.