高場應力下晶格匹配 In0.17Al0.83N/GaN HEMT退化研究

(淮陰師范學院計算機科學與技術學院，江蘇淮安 223300)

相較于傳統窄禁帶半導體器件，由寬禁帶半導體GaN制備的AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)適合在高溫、高壓與高頻等極端環(huán)境下工作[1-3]。隨著材料生長和微加工技術的發(fā)展，AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的性能不斷獲得突破。但是，由于AlGaN與GaN材料之間存在較大的晶格失配，AlGaN/GaN異質結中存在逆壓電效應，當壓電應力達到一定程度時晶格會產生應力形變，從而產生新的缺陷，造成器件損壞[4-5]。為了消除逆壓電效應，在GaN襯底上直接生長與其晶格匹配的In0.17Al0.83N外延層的方法被提出[6]。該方法另一大優(yōu)勢是InAlN勢壘層較強的自發(fā)極化效應，能夠提供更高的二維電子氣濃度，使得晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN異質結在微波和高頻應用方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ渤蔀榻陙硌芯康臒狳c[7-8]。盡管InAlN和GaN勢壘層不存在逆壓電效應，但是InAlN材料生長質量還不高，器件可靠性仍然面臨一定的威脅。在本文中，一種由InAlN勢壘層高缺陷密度引起的晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT退化被發(fā)現，該退化主要引起器件的飽和漏電流(IDsat)和跨導峰值(gm)降低，并使閾值電壓發(fā)生正向漂移。經過分析認為，該退化是由溝道熱電子的俘獲和去俘獲過程導致的。

1 器件制備與測試

圖1(a)和圖1(b)所示分別為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的結構示意圖和器件平面照片。其中，GaN外延片(約3 μm)是通過金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在藍寶石襯底上生長的。In0.17Al0.83N/GaN異質外延結構主要包括3 μm非摻雜GaN層、18 nm非摻雜In0.17Al0.83N勢壘層、1 nm AlN隔離層和150 nm SiN鈍化層。器件的歐姆接觸采用電子束蒸發(fā)Ti/Al/Ti/Au后在800℃氮氣中快速熱退火60 s獲得，柵肖特基接觸采用電子束蒸發(fā)Pt/Au(50/300 nm)形成。器件柵長為100 μm，柵寬為200 μm，柵極處于源漏電極中央，柵源和柵漏間距均為5 μm。

圖1 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT:(a)結構示意圖和(b)器件平面照片Fig.1 Lattice matched In0.17Al0.83N/GaN HEMT:(a)structural schematic diagram and(b)optical micrograph

2 實驗結果與分析

首先，對器件基本電學參數進行了測試，其中，擊穿電壓約為42 V，閾值電壓(VTH)約為4.5 V，跨導峰值(gm)約為0.05 S，飽和漏電流(IDsat)約為0.23 A。

圖2所示為晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT器件在不同源漏應力 (VDS)前后輸出特性曲線，其中圖2(a)和圖2(b)為VDS=10 V(VG=0 V)前后的輸出和轉移特性曲線，圖2(c)和圖2(d)為VDS=20 V(VG=0 V)前后的輸出和轉移特性曲線，應力持續(xù)時間分別為900，1800和3600 s，輸出特性柵壓由-3 V至0 V(反向)，測試間隔1 V，轉移特性測試電壓為VDS=6 V。可以看出，持續(xù)VDS應力使HEMT器件的輸出和轉移特性產生退化，主要表現為IDsat和gm峰值降低，閾值電壓發(fā)生正向漂移。通過比較VDS=10 V和VDS=20 V應力下的退化程度，可以發(fā)現應力越高，退化程度越明顯。根據圖2(a)和2(b)，計算經過3600 s的10 V源漏應力后，IDsat下降了約5.8%，gm下降了約4.4%。根據圖2(c)和2(d)，20 V源漏應力后，IDsat下降了約11.3%，gm峰值下降了約11%。當應力時間超過3600 s后，基本不再退化。綜上可知，-10 V源漏應力對器件輸出和轉移特性影響相對較小，但-20 V源漏應力對器件性能產生了明顯的影響。為了提高晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT工作的可靠性，分析源漏應力后器件性能退化的具體機理很有必要。

在GaN基HEMT中，器件退化主要與大信號工作狀態(tài)的強電場有關，通常情況下，失效機理主要有溝道熱電子注入、逆壓電效應和柵極電子注入等[9]。由于晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT異質界面實現晶格匹配，避免了壓電應力，因此基本可以忽略逆壓電效應產生的影響。為了判斷溝道熱電子注入和柵極熱電子注入對器件退化的影響，分別在源端懸空和柵端懸空的情況下對器件施加應力(懸空指該端不接探針)。源端懸空時，應力條件為VD=20 V，VG=0 V;柵端懸空時，應力條件為VD=20 V，VS=0 V。在相同時間高場應力后，對器件轉移特性進行測試。圖3所示分別為(a)源端懸空和(b)柵端懸空下，應力前后測得的HEMT轉移特性，應力持續(xù)時間分別為900，1800和3600 s。可以看出，源端懸空后，器件轉移特性退化相對較小，而柵端懸空后，器件轉移特性仍然發(fā)生明顯退化。經過計算，當源端懸空3600 s時，IDsat下降了約4.8%，VTH漂移約5.7%;然而當柵端懸空時，IDsat下降了約23.3%，VTH漂移約20.8%。比較這兩種不同應力下的退化，不難確定退化過程中，電子主要是來源于溝道碰撞電離產生的熱電子。

圖2 不同源漏應力下的輸出特性和轉移特性退化:(a)10 V前后的輸出特性;(b)10 V前后的轉移特性;(c)20 V前后的輸出特性;(d)20 V前后的轉移特性Fig.2 Degradation of output characteristics and transfer characteristics under different source-drain stresses:(a)output characteristics after 10 V;(b)transfer characteristics after 10 V;(c)output characteristics after 20 V;(d)transfer characteristics after 20 V

圖3 轉移特性退化:(a)源端懸空;(b)柵端懸空Fig.3 Degradation of transfer characteristics:(a)source floating;(b)gate floating

溝道熱電子注入過程中，退化通常和材料中存在的缺陷有關，下面將分析究竟哪種缺陷在退化過程中起主要作用。高場應力后，在晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT中可能影響器件退化的因素主要有以下幾個:InAlN勢壘層陷阱;表面態(tài);異質結界面態(tài)[10]。其中，只有InAlN勢壘層的陷阱才能明顯影響VTH，而由異質結界面態(tài)缺陷引起的退化，通常是不可恢復退化。

為了分析參與退化的主要缺陷，對器件施加源漏20 V應力(VG=0 V)，持續(xù)時間1800 s，然后撤掉源漏應力并將已退化樣品放置一段時間后，測得的轉移特性和恢復特性曲線如圖4所示。其中，黑色實線為應力前器件轉移特性，紅色虛線為應力后轉移特性，黑色虛線為恢復轉移特性?？梢园l(fā)現，器件轉移特性完全恢復了，表明該退化是可恢復的。由于異質結界面態(tài)引起的退化往往是永久退化，所以可以排除界面態(tài)的影響。另外，由于只有InAlN勢壘層的陷阱才能明顯影響VTH，而表面態(tài)對其幾乎沒有影響，考慮到退化過程中VTH也會退化，因此柵下InAlN勢壘層的陷阱是退化主要原因。另有研究表明，填充表面態(tài)的電子大多來自柵電子[11]，而本退化中，退化主要與溝道熱電子相關，因此表面態(tài)參與退化的可能性較小。

圖4 晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的轉移特性和恢復特性曲線Fig.4 Transfer characteristics and recovery characteristics of lattice matched In0.17Al0.83N/GaN HEMT

根據上述實驗結果，本文提出由溝道熱電子填充InAlN勢壘層缺陷的退化物理機制可用以解釋晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT的退化。當給器件施加一個較大的源漏應力，由于橫向電場加速，溝道中大量熱電子形成源漏電流。由于InAlN勢壘層中存在高密度缺陷，應力持續(xù)過程中，溝道熱電子逐漸被InAlN勢壘層缺陷俘獲，導致IDsat和gm降低。當材料中大部分固有缺陷均俘獲電子，器件逐漸不再退化。當器件源漏應力被撤去以后，經過一段時間，被缺陷俘獲的電子被釋放，器件性能逐漸恢復。因此該退化過程，可認為是一個溝道熱電子被缺陷俘獲和去俘獲過程。該退化現象，對晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT工作的可靠性和穩(wěn)定性都有影響，為了抑制該退化產生的影響，提高InAlN勢壘層質量，降低InAlN勢壘層缺陷密度將是抑制該退化的重要途徑。

3 結論

本文首先制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMT，然后基于源漏應力測試發(fā)現當VDS較高時，器件IDsat和gm出現明顯降低，VTH正向漂移。根據源、柵懸空退化比較和退化恢復特性，提出一個由InAlN勢壘層缺陷俘獲溝道熱電子導致退化的機制，該機制有助于提高器件工作可靠性和商業(yè)化應用。