AlGaN／GaN HEMT在N2中高温退火研究

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GaN基HEMT器件陷阱与可靠性研究

GaN基HEMT器件陷阱与可靠性探究专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。

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4_英寸GaN_衬底MOCVD_外延高质量AlGaN

4英寸GaN衬底MOCVD外延高质量AlGaN/GaN HEMT材料研究分析高楠房玉龙* 王波张志荣尹甲运芦伟立陈宏泰牛晨亮（河北半导体所）摘要：本文对金属有机物化学气相淀积法在4英寸GaN衬底上生长出的高质量AlGaN/GaN HEMT外延材料进行了研究分析。

生长过程采用NH3/H2混合气体及H2交替通入的方法对衬底表面进行了预处理，阻隔了界面杂质的扩散。

得益于衬底与外延的高度晶格匹配，GaN材料的螺位错密度降低到1.4×107cm-2，刃位错密度降低到3.0×106cm-2；非接触霍尔测试仪结果显示二维电子气迁移率为2159 cm2/V·s ，说明制备的材料晶体质量高且电学性能优异。

此外，由于衬底与外延之间不存在热失配，使用拉曼光谱仪发现同质外延的GaN E2（TO）峰位与衬底的E2（TO）峰位完全重合，表明同质外延过程中无应力应变产生。

关键词：GaN衬底，AlGaN/GaN HEMTStud y of High-quality AlGaN/GaN HEMT Homo-epitaxial Material on4-inch GaN Substrate by MOCVDGAO Nan FANG Yu-long* WANG Bo ZHANG Zhi-rong YIN Jia-yun LU Wei-liCHEN Hong-tai NIU Chen-liang（Hebei Semiconductor Research Institute）Abstract:High-quality AlGaN/GaN HEMT homo-epitaxial material grown on 4-inch GaN homo-substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) was studied in this paper. An alternation gas model of ammonia/ hydrogen (NH3/H2) mixed gas and H2 gas was employed to thermal treatment of GaN homo-substrate to prevent the spread of impurities. Due to the match of lattices, the density of screw dislocation was as low as 1.4×107cm-2 and the density of edge dislocation reached 3.0×106cm-2. The contactless Hall test results showed that the AlGaN/GaN HEMT material had a two-dimensional electron gas (2DEG) mobility of 2159 cm2/V•s, indicating that the homo-epitaxial AlGaN/GaN HEMT material has high quality and good electrical performance. In addition, thanks to the absent thermal mismatch during the growth, the Raman spectrum test manifested that the peak positions of E2-high for GaN homo-substrate and the epitaxial material were totally coincident, showing that there was no strain in the homo-epitaxial growth.Keywords: GaN substrate, AlGaN/GaN HEMT作者简介：高楠，硕士，工程师，主要研究方向为宽禁带半导体材料生长及相关技术。

《AlGaN-GaN纳米异质结构中的二维电子气研究》范文

《AlGaN-GaN纳米异质结构中的二维电子气研究》篇一AlGaN-GaN纳米异质结构中的二维电子气研究一、引言随着纳米科技的飞速发展，半导体材料的研究与应用逐渐成为科技领域的热点。

其中，AlGaN/GaN纳米异质结构因其独特的物理性质和潜在的应用价值，在半导体领域引起了广泛的关注。

该异质结构中存在的二维电子气（2DEG）是其重要的物理特性之一，具有高迁移率、低电阻率等优点，因此在微电子、光电子等领域有着广泛的应用前景。

本文将就AlGaN/GaN纳米异质结构中的二维电子气展开研究，探讨其性质、形成机制及其在相关领域的应用。

二、AlGaN/GaN纳米异质结构概述AlGaN/GaN纳米异质结构是一种由AlGaN和GaN两种材料组成的纳米级薄膜结构。

由于两种材料之间的能带差异，会在界面处形成二维电子气。

这种结构具有优异的电子传输性能和高温稳定性，是制作高性能电子器件的理想材料。

三、二维电子气的性质及形成机制1. 性质二维电子气具有高迁移率、低电阻率等优良的电学性质。

此外，由于其存在于纳米异质结构中，还具有较高的量子限域效应和较强的界面相互作用。

2. 形成机制二维电子气的形成主要源于AlGaN和GaN两种材料之间的能带差异。

当两种材料形成异质结构时，由于能带的不连续性，会在界面处形成势垒。

在一定的条件下，电子会被限制在界面处形成二维电子气。

此外，纳米异质结构的量子限域效应也会对二维电子气的形成产生影响。

四、二维电子气的应用1. 微电子器件由于二维电子气具有高迁移率和低电阻率等优良的电学性质，使得其在微电子器件领域有着广泛的应用。

例如，可以用于制作高性能的晶体管、场效应管等。

2. 光电子器件二维电子气的量子限域效应和强的界面相互作用使其在光电子器件领域也有着重要的应用。

例如，可以用于制作高效的光电探测器、发光二极管等。

五、研究方法及实验结果1. 研究方法本研究采用分子束外延技术制备AlGaN/GaN纳米异质结构，并利用一系列表征手段（如X射线衍射、原子力显微镜、光致发光等）对样品进行表征和分析。

N极性GaNHEMT的GaN-AlGaN异质结基础研究

N极性GaNHEMT的GaN-AlGaN异质结基础研究目录第一章绪论...................................................................................................................... - 1 - 1.1 Ga-polar GaN基HEMT发展历程............................................................................. - 1 -1.1.1 Ⅲ族氮化物半导体材料................................................................................... - 1 -1.1.2 Ga-polar GaN基器件 ....................................................................................... - 3 - 1.2 N-polar GaN基HEMT研究进展............................................................................... - 5 -1.2.1 N-polar GaN材料与器件特性分析................................................................. - 5 -1.2.1.1 N-polar GaN材料特性分析.......................................................................... - 5 -1.2.1.2 N-polar GaN器件特性分析.......................................................................... - 7 -1.2.2 N-polar GaN材料生长及HEMT器件结构发展............................................ - 8 -1.2.2.1 N-polar GaN材料生长.................................................................................. - 8 -1.2.2.2 N-polar GaN基HEMT器件结构发展......................................................... - 9 -1.2.3 N-polar GaN基HEMT器件性能提升.......................................................... - 11 - 1.3 N-polar GaN上欧姆接触研究进展.......................................................................... - 14 -1.3.1 N-polar GaN材料的制备............................................................................... - 14 -1.3.2 N-polar GaN上欧姆接触的金属化方案....................................................... - 16 -1.3.3 N-polar GaN欧姆接触机理分析................................................................... - 17 - 1.4 有待深入研究的问题............................................................................................... - 19 - 1.5 本文研究内容与安排............................................................................................... - 20 - 第二章N-polar GaN/AlGaN异质结中2DEG解析研究 ............................................. - 22 -2.1 N-polar GaN/AlGaN异质结薛定谔方程和泊松方程自洽求解 ............................. - 22 - 2.2 N-polar GaN/AlGaN异质结中GaN厚度对2DEG的影响.................................... - 26 - 2.3 N-polar GaN/AlGaN 异质结中AlGaN厚度及Al组分对2DEG的影响.............. - 27 - 2.4 N-polar GaN/AlGaN异质结中背势垒Si掺杂对2DEG的影响............................ - 30 - 2.5 N-polar GaN/AlN/AlGaN异质结中AlN 插入层对2DEG影响 ............................ - 32 - 2.6 仿真结果与文献实验结果对比............................................................................... - 34 - 2.7 本章小结................................................................................................................... - 35 - 第三章新型结构的N-polar GaN/AlGaN异质结设计与仿真 .................................... - 37 -3.1 新型结构的N-polar GaN/AlGaN异质结结构设计 ............................................... - 37 - 3.2 无AlN插入层的新型结构N-polar GaN/AlGaN异质结性能分析 ...................... - 38 - 3.3 加入AlN 插入层的新型结构N-polar GaN/AlGaN异质结性能分析 .................. - 41 - 3.4 N-polar GaN基HEMT准二维电荷传输模型仿真................................................. - 45 -3.4.1 N-polar GaN基HEMT直流特性的准二维模型建立.................................. - 45 -3.4.2 材料特性对N-polar GaN基HEMT器件性能影响.................................... - 48 -3.4.2.1 N-polar GaN基HEMT的材料特性对2DEG面密度的影响 .................. - 48 -3.4.2.2 N-polar GaN基HEMT的材料特性对器件直流性能影响....................... - 49 -3.4.2.3 新型结构的N-polar GaN基HEMT直流特性仿真................................. - 52 - 3.5 本章小结................................................................................................................... - 53 - 第四章N-polar GaN上欧姆接触研究.......................................................................... - 54 - 4.1 半导体上欧姆接触及传输线评估模型................................................................... - 54 -4.1.1 半导体上欧姆接触形成理论........................................................................ - 54 -4.1.2 传输线模型理论分析.................................................................................... - 56 - 4.2 N-polar GaN上欧姆接触制备工艺.......................................................................... - 59 - 4.3 Ti/Al/Ni/Au金属体系中不同Al层厚度的欧姆接触分析 ..................................... - 60 -4.3.1 d Al=120nm的N-polar GaN上欧姆接触....................................................... - 61 -4.3.2 d Al=100nm的N-polar GaN上欧姆接触....................................................... - 64 -4.3.3 d Al=80nm的N-polar GaN上欧姆接触......................................................... - 66 -4.3.4 d Al=60nm的N-polar GaN上欧姆接触......................................................... - 68 - 4.4 Al层厚度分别为120nm 和80nm的欧姆接触TEM测试及对比研究................. - 72 -4.4.1 TEM测试结果分析........................................................................................ - 72 -4.4.2 N-polar GaN上欧姆接触形成机理分析....................................................... - 79 - 4.5 本章小结................................................................................................................... - 82- 第五章N-polar GaN基HEMT制备与器件性能分析................................................. - 83 -5.1 N-polar GaN基HEMT缓冲层外延与表征............................................................. - 83 -5.1.1 N-polar GaN基HEMT缓冲层生长模型研究.............................................. - 83 -5.1.2 SiC衬底MOCVD生长N-polar GaN基HEMT缓冲层材料研究............. - 85 - 5.2 N-polar GaN基HEMT材料外延与表征................................................................. - 88 - 5.3 N-polar GaN基HEMT器件制备工艺及测试分析................................................. - 90 -5.3.1 N-polar GaN基HEMT器件制备工艺........................................................... - 90 -5.3.2 N-polar GaN基HEMT器件测试分析........................................................... - 92 - 5.4本章结论.................................................................................................................... - 95 - 第六章结论.................................................................................................................... - 96 - 参考文献.......................................................................................................................... - 99 - 致谢........................................................................................................................ - 110 - 攻读博士学位期间完成的论文.................................................................................... - 111 -河北工业大学博士学位论文第一章绪论氮极性(N-polar)GaN材料借助与传统镓极性(Ga-polar)GaN材料极性相反这一特征，以低接触电阻、高2DEG限阈性，在高频、大功率微波晶体管、增强型器件及传感器等应用方面显示出了潜在的优势。

AlGaN GaN HEMT 器件制备工艺流程介绍

AlGaN/GaN HEMT 器件制备工艺流程介绍◎李泽政高靖雯江浩陈冲（作者单位：吉林建筑大学）AlGaN/GaN HEMT 器件制造主要分为AlGaN/GaN 异质结材料的生长和HEMT 器件制备两个主要部分，材料生长的好坏和器件制作工艺都将对器件的性能产生深远影响，本文主要对AlGaN/GaN 材料的生长和HEMT 器件制备的工艺流程进行介绍。

一、AlGaN/GaN 异质结材料的生长GaN 晶体一般呈六方纤锌矿或者立方闪锌矿结构。

目前，GaN 领域的大部分研究主要集中于结构更为稳定的纤锌矿结构上，高质量的GaN 薄膜材料的制备对其发展和应用具有至关重要的作用。

GaN 体单晶的制备非常困难，因此目前大部分都是在蓝宝石、Si、SiC 等衬底上进行异质外延生长获得的。

GaN 外延生长的方法主要有三种：分子束外延（MBE ）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD ）以及氢化物气相外延（HVPE ）。

这三种方法比较而言，使用MBE 方式外延获得的GaN 材料晶体质量最优，但生长速率过于缓慢，其较高的成本也不利于大规模产业化；使用HVPE 方式外延具有最快的生长速率，而获得的GaN 晶体质量却最差，因此HVPE 通常仅用于生长衬底材料然后再使用MBE 或MOCVD 法进行同质外延；与前两者相比，MOCVD 外延法生长GaN 材料具有折中的生长速度和晶体质量，而且MOCVD 系统比MBE 系统简单，因此目前市场上主要使用MOCVD 法生长GaN 以及GaN 基材料。

二、AlGaN/GaN 器件基本工艺制备流程实际上从GaN 材料的生长结束到AlGaN/GaN HEMT?制备完成要经过多重的工艺流程，其中的关键步骤分别为新片清洗，FDU 层制作，欧姆接触，台面隔离刻蚀，欧姆退火，栅槽刻蚀栅金属淀积，SiN 保护层淀积，互联开孔，互联金属蒸发，空气桥制作等，本文将逐一进行介绍：第一、新片清洗：未经过清洗的GaN 表面主要存在氧化层，无机和有机的污染物，主要运用醋酸，丙酮和乙醇除去有机沾污；运用酸碱溶液祛除表面的非有机物和氧化层，最后用氮气将新片吹干，表面清洗对后续的工艺和器件的特性存在很大影响。

AlGaNGaN中二维电子气的研究进展

3.2 A1N／GaN异质结构
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❖ 然而由于GaN和AlN界面处存在大的晶格失配，应变A1N势垒层的临界厚度很薄，导致其中线位错密度较高，且易发生弛豫.
❖ 尽管如此，AlN／GaN异质结构在高频微波器件，高温大功率电子器件中仍有重要潜在应用。
3.3 A1GaN／A1N／GaN异质结构
的变化关系
AlGaN/GaN中二维电子气研究进展
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1
研究背景
2 AlGaN/GaN HEMT二维电子气
3 新型GaN基异质结构二维电子气研究进展
4
总结
4 总结
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❖近年来，在强烈的电子器件应用背景驱动下， GaN 基异质结构二维电子气性质的研究受到了人们的高度关注。
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3.1 双沟导A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构
图双沟导AlG N／GaN／A1G N异质结构
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3.1 双沟导A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构
GaN基异质结构体系中另一较为常见的是 A1GaN／GaN／A1GaN双异质结构. 与单异质结构相比，它具有双倍的电流传输能力，有利于制作高功率器件。 AlGaN／GaN／A1GaN双异质结构的GaN量子阱具有更强的极化场。 ❖ 实验表明：它具有较高的载流子迁移率，适合微波功率或通信器件的应用。
如此强的极化效应以及AlGaN／GaN界面大的导带偏移，在GaN层形成一个很深的量子阱，即使不掺杂，也可感生高达～1012cm-2浓度的二维电子气。
2.2 AlGaN/GaN HEMT二维电子气
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GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展

基金项目:国家重点研发计划(2017YFB 0403000)收稿日期:2020-07-23㊀㊀㊀通信作者:蔡小龙作者简介:孙梓轩(1995-),男,安徽安庆人,工程师,硕士,从事氮化镓射频器件可靠性研究工作;蔡小龙(1989-),男,山东东营人,工程师,博士,主要从事碳化硅光电器件及氮化镓射频器件等方面的研究工作㊂第39卷㊀第12期2020年12月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .12Dec .2020GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展孙梓轩1,2,蔡小龙1,2,3,杜成林1,2,段向阳2,陆㊀海3(1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室,广东深圳㊀518057;2.中兴通讯股份有限公司,江苏南京㊀210012;3.南京大学电子科学与工程学院,江苏南京㊀210093)㊀㊀摘要:氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )凭借着高电子迁移率㊁低导通电阻和高击穿场强等优点,在高频器件和大功率开关器件等领域得到了广泛运用㊂但经时击穿会导致在正常工作电压范围内的器件发生失效,因此GaN 器件的经时击穿成为了评估器件可靠性的关键因素㊂介绍了GaN HEMT 经时击穿的现象及偏压依赖性,总结了经时击穿的物理机制,讨论和展望了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端结构对提升器件的经时击穿可靠性的作用㊂关键词:氮化镓;高电子迁移率晶体管;综述;经时击穿;失效;可靠性DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.0523中图分类号:TN 304.2㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AResearch progress on reliability of time -dependentbreakdown in GaN HEMTSUN Zixuan 1,2,CAI Xiaolong 1,2,3,DU Chenglin 1,2,DUAN Xiangyang 2,LU Hai 3(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518057,Guangdong Province,China;2.ZTE Corporation,Nanjing 210012,China;3.School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China)㊀㊀Abstract :Due to their high electron mobility ,low on -resistance and high breakdown field ,GaN high electron mobility transistors (HEMTs )are widely used in high frequency and high power switching devices.Time -dependent breakdown becomes a keyfactor in evaluating the reliability of GaN HEMT ,because it could lead to failure of the device under normal operating voltage.In this paper ,the phenomena and bias dependence of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are introduced ,and its physical mechanism are also summarized.The effect of the field plate ,passivation layer ,and gated edge termination structure to the the reliability improvement of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are discussed.Key words :GaN ;high electron mobility transistor (HEMT );review ;time -dependent breakdown ;failure ;reliability㊀㊀由于具备高电子迁移率㊁高热导率㊁宽禁带等特点,氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )成为了第三代半导体器件的研究热点[1-2]㊂在不同衬底的GaN HEMT 中硅(Si )基GaN HEMT 具有低成本㊁大尺寸以及与Si 基互补型金属氧化物半导体(CMOS )工艺相互兼容等优势,被广泛应用于转换开关㊁充电设备等电子电力领域㊂相比传统的Si 基CMOS 器件,GaN HEMT 具备更低的导通电阻和更大的开关频率,这些特性降低了开关器件的功率转换损耗[3-4]㊂由于功率转换损耗占全球用电量的10%,因此规模性采用高效功率转换器可以节约全球大量的电力资源㊂与Si 基器件相比,采用碳化硅(SiC )衬底的GaN 器件具备更高的热导率,降低了沟道温度带来的不利影响,因此SiC 基GaN HEMT 被广泛应用于高功率射频器件中[5]㊂此外,GaN 材料的击穿场强高达约3.3MV /cm ,使GaN HEMT 高压器件能够在超过1000V 的电压下有效运行[6-7],展现了在汽车充电桩和大型工业电源应用中的广阔前景㊂但是在实际应用中,GaN HEMT 存在着经时击穿㊁自热效应㊁电流崩塌以及热载流子效应等可靠性问题,严重影响了GaN HEMT 的工作稳定性和使用寿命,因此评估和提升GaN HEMT 的可靠性成为2㊀Vol.39No.12 Dec.2020了继续扩大器件商用规模的重要一环㊂通常而言, GaN HEMT的抗击穿能力是一项关键的可靠性指标,这决定了器件的使用场景以及使用寿命,当器件的抗击穿能力与使用场景不匹配时,将会发生器件级甚至系统级的失效㊂另外,在对GaN HEMT进行击穿测试时发现,器件会发生经时击穿(TDDB, Time-Dependent Breakdown),即器件长时间处于正常工作电压范围内发生击穿失效的现象[8-10]㊂这种可靠性问题会导致GaN HEMT工作在合适的使用场景中也可能会发生失效,因此GaN HEMT的经时击穿需要得到更多的关注㊂在传统的Si基CMOS器件中,经时击穿的相关机理已经得到了深入的研究[11-13]㊂通过参考CMOS 器件经时击穿的研究思路,可以确定在研究GaN HEMT经时击穿时,首先需要了解器件经时击穿的偏压依赖性,然后根据实验结果分析出器件经时击穿失效的物理机理,最后基于前期的研究结果,优化器件的结构来提升器件的经时击穿可靠性㊂在本文中,首先介绍了GaN HEMT的经时击穿现象以及这种现象对电压的强依赖性,然后总结了GaN HEMT经时击穿的物理机理,最后讨论了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端(GET)结构对器件经时击穿可靠性的提升㊂这将会有助于从器件工艺层面有效改善经时击穿,从而提升器件寿命及可靠性㊂1㊀GaN HEMT的经时击穿特性介绍1.1㊀经时击穿的电流特性通常采用在栅极施加电压应力,源极和漏极接地,并检测栅电流随应力时间变化的方式来表征GaN HEMT的栅极经时击穿特性㊂以Wu和Meneghini等的研究为例[14-15],在固定栅应力下测得的栅电流的变化:栅电流最初较为稳定,并在陷阱俘获效应的作用下略有下降㊂在应力时间增加到320s之前,栅电流与阈值电压都随着时间增加呈指数形式的降低,如图1(a)所示;320s之后,在栅应力的作用下大量陷阱在器件中生成,从而增大了栅电流噪声幅度,如图1(b)所示;随着应力时间的进一步增加,器件发生击穿失效,此时可以观测到器件的栅电流突然急剧增加(图1(c))㊂1.2㊀经时击穿的偏压依赖性为了研究GaN HEMT经时击穿的电压依赖性, Marcon等进行了几组不同恒定电压应力下的经时击穿测试[16]㊂在实验中对三组相同型号的器件分别施加了55,60和65V三个不同的应力电压㊂实验表明,器件的击穿时间(t BD)随着应力电压的增加而减小,如图2所示㊂因此,器件的经时击穿具有明显的偏压依赖性,即更高的偏压降低了器件的击穿时间[17-19]㊂根据经时击穿的电压依赖性,可以确定器件的内部电场对经时击穿起到了主导作用,在后续的器件设计中需要对器件的内部电场峰值进行优化处理㊂图1㊀(a)GaN器件在不同栅电压下,栅电流随应力时间的变化图[14];(b)栅电流噪声幅度随应力时间变化图;(c)阈值电压随应力时间的退化图[15]Fig.1㊀(a)The relationship between the gate current and stress time in GaN HEMT under various stresses[14];(b)Thegate current noise amplitude changes with stress time; (c)The threshold voltage degradation with stress time[15]图2㊀经时击穿的电压依赖性[17]Fig.2㊀Voltage dependence of time-dependent breakdown[17] 2㊀GaN HEMT的经时击穿机理2007年,Inoue等研究了GaN HEMT经时击穿与初始栅极泄漏电流之间的关系[20],发现了初始泄漏电流较大的器件更容易发生经时击穿㊂因此,认为GaN HEMT的经时击穿与栅极泄漏电流路径有关,长时间的电压应力会增加器件的栅极泄漏电流孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期3㊀路径,导致栅极出现急剧的电流增加现象㊂2012年,Meneghini 等提出了渗流路径物理模型来解释施加反向栅极应力时,器件参数的可逆性和永久性退化,并通过2D 仿真结果证明了该模型的合理性[15]㊂该模型认为,经时击穿是在长时间的电压应力下,于AlGaN 层中产生陷阱并最终形成渗流路径的过程㊂器件经时击穿的物理机制可以由以下六个过程进行描述:(1)器件的缓冲层中存在着施主-深受主对,当向GaN HEMT 施加反向偏置时,高能电子从栅极注入到AlGaN 层,AlGaN 层中的电子积累会导致栅极泄漏电流呈指数下降;(2)在高电场的作用下,电子从AlGaN 层注入到缓冲层中;(3)当在器件上施加较高的反向应力时,电子会获得足够的能量,同时缓冲层中的深受主杂质发生电离,这一过程在场致发光(EL )的光谱上产生宽的黄色发射峰[21-22],或者促使电子从价带转移到深受主能级并产生自由空穴;(4)在器件栅极上施加了较高的负偏压后,缓冲层中的空穴会积聚在AlGaN/GaN 界面处或被AlGaN 层中的陷阱捕获,此时界面处和AlGaN 层中的陷阱都处于正电态,这些正电荷产生的静电势会导致器件的阈值电压降低,如图3(a )所示;(5)在栅极应力下,由于器件内部存在高电场,电子会在AlGaN 层中随机产生陷阱,这些陷阱可以俘获电子,并导致栅极电流噪声增加;(6)随着应力时间的增加,陷阱会发生重叠,在栅极和缓冲层之间产生渗流路径,并导致栅极永久退化㊂基于此模型,可以判断高原生陷阱密度的器件应比低陷阱密度的器件更易发生经时击穿㊂图3(b )中的结果证实了这一判断:对在相同应力条件下的相同型号但初始泄漏电流不同的器件进行经时击穿测试,结果显示t BD 与初始泄漏电流(初始泄漏电流的大小与器件的原生陷阱密度有关)具有幂律关系(Power Law)㊂图3㊀(a )陷阱机制示意图;(b )击穿时间与器件初始泄漏电流的关系[15]Fig .3㊀(a )Schematic representation of the trap mechanism ;(b )Dependence of t BD on the initial leakage current [15]2015年,Wu 等研究了采用等离子体增强原子层沉积(PE -ALD )氮化硅(SiN x )作为栅介质的GaN HEMT 的经时击穿,发现器件在长时间栅应力下,栅介质中会产生陷阱并形成渗流路径,导致器件击穿㊂在此研究中,通过对比耗尽型(D -mode )HEMT 和增强型(E -mode )HEMT 经时击穿点分布的区别,发现栅极在AlGaN 层中拐角处的介质比栅极下侧的介质薄,更容易形成渗流路径导致器件发生经时击穿[14]㊂同年,Meneghini 等结合实验数据和仿真结果,发现了在应力条件下,GaN HEMT 器件漏极侧的栅极边缘拐角处具有很强的电场尖峰,强电场会使载流子具备更高的能量,从而更容易在钝化层中产生陷阱,这些陷阱会导致栅极边缘拐角处发生击穿[23]㊂2017年,Hu 等对GaN HEMT 栅极下方区域的经时击穿进行了实验和仿真分析,发现了GaN 器件的GET 结构在栅应力下会发生两次经时击穿的现象[24]㊂为了探究双次击穿的原因,他们仿真了栅应力-500V 下器件栅极边缘端的电场分布㊂仿真结果显示,栅极下方的二维电子气(2DEG )耗尽区域存在较大的电场,且栅极边缘终端拐角处的电场峰值高达约5MV /cm ㊂据此可以判断第一次击穿过程是在栅极边缘终端拐角处的金属/绝缘体/半导体(MIS )结构中的Si 3N 4介质层内形成了渗流路径㊂第一次击穿后器件的AlGaN /Si 3N 4界面处存在较高的泄漏电流,所以第二次击穿发生在AlGaN 层中㊂对于具有GET 结构的GaN HEMT 器件,高电场的作用会导致PE -ALD Si 3N 4首先被击穿,然后在AlGaN 势垒中发生第二次击穿㊂同年,Tallarico 等研究了具有p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 的经时击穿[25]㊂根据Arrhenius 曲线估算出了陷阱激活能E a ʈ0.44eV ,通过与GaN 和AlGaN 器件的深能级陷阱数据库相对比[26],认为0.44eV 激活能的陷阱与p -GaN 层中的氧杂质有关[27],这意味着在长时间的栅极应力条件下,渗流路径逐渐在p -GaN 层中形成,最终导致器件栅极发生经时击穿㊂2019年,He 等提出了p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 存在两个阶段的经时击穿[28]㊂第一阶段的经时击穿是金属/p -GaN 界面附近的耗尽层中生成的陷阱所引起的击穿;第二阶段是AlGaN 势垒层中产生的陷阱导致AlGaN 被击穿㊂在器件栅极施加正向应力后,p -GaN 层内的耗尽层使金属/p -GaN 肖特基结被反向偏置,而p -i -n 异质结被正向偏置㊂孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展4㊀Vol.39No.12 Dec.20202DEG中的电子将从AlGaN势垒溢出,并注入进p-GaN层中(如果栅极应力很大,栅极也会向p-GaN层注入空穴)㊂载流子在p-GaN耗尽层的高电场作用下加速并变成高能载流子,这些高能载流子将轰击金属/p-GaN界面或界面附近的p-GaN 层,在界面处或p-GaN层中产生陷阱㊂在长时间的应力作用下,陷阱密度逐渐增加并将栅极接触从肖特基型转变为类欧姆型,引发第一次栅极击穿㊂之后,栅极电压主要被施加在了AlGaN层,陷阱开始在AlGaN层中产生,并形成渗流路径造成AlGaN 层被击穿㊂同年,Lee等研究了在交流(AC)和直流(DC)栅应力下的GaN HEMT的经时击穿,发现器件在AC应力下具备更长的t BD[29]㊂在正的DC栅应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘靠近费米能级,因此AlGaN和栅介质层界面处会积累电子,导致栅介质层电场增加㊂在高电场作用下,栅介质会更易发生经时击穿㊂然而,在AC应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘离费米能级较远,不会在AlGaN 和栅介质界面积累电子㊂所以,AC应力下的GaN HEMT具备更久的t BD㊂3㊀经时击穿可靠性的提升3.1㊀场板技术在GaN HEMT器件工作的过程中,自热效应会导致在AlGaN层表面处产生陷阱[30],同时,器件制备阶段也会在AlGaN层表面引入原生陷阱,这些陷阱可以捕获电子,并在AlGaN层表面形成负电荷㊂表面的高浓度负电荷使AlGaN能带发生弯曲,减薄了AlGaN势垒厚度,热电子更容易发生隧穿,隧穿电流过大会使器件更易发生经时击穿[31]㊂此外,器件栅极边缘拐角处存在电场尖峰,高电场会导致该区域更易产生陷阱,从而影响器件的经时击穿可靠性㊂因此,优化器件的内部电场分布,可以有效提升器件经时击穿可靠性㊂图4为具有场板结构的GaN HEMT剖面示意图,可以发现场板被放置在栅极上方,并且覆盖了栅源区域㊂由于场板与GaN HEMT的源极相连接,当器件处于工作状态时,场板与源极都处于低电位,所以栅极附近的电力线会受到低电位的吸引,部分电力线会从沟道指向场板,缓解了栅极边缘的电场尖峰,降低了栅极漏端附近的电场峰值[32-34]㊂即使在AlGaN层存在缺陷电荷,场板结构也可以使器件内部电场均匀地分布在栅极和漏极之间,降低了陷阱对AlGaN层势垒的影响㊂图4㊀场板结构示意图Fig.4㊀Schematic diagram of field plate structure 2018年,Kabemura等研究了GaN HEMT的场板结构对经时击穿的影响[35]㊂实验结果显示,场板结构的应用可以有效改善器件的经时击穿㊂其中,场板长度在0.2~0.3μm时,GaN HEMT具备最佳的经时击穿可靠性㊂当场板过长,场板边缘到漏端的距离过短时,电场会在场板边缘到漏端区域形成尖峰,导致器件更容易被击穿㊂3.2㊀钝化层技术传统的GaN HEMT工艺主要采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiN x作为HEMT的钝化层[36],SiN x钝化了AlGaN层的表面态,降低了由表面态引起的栅漏边缘电场和栅泄露电流,从而优化了HEMT的经时击穿可靠性㊂2016年,Bao等研究指出传统PECVD SiN x钝化层工艺中的活性等离子体源会破坏AlGaN表面并形成表面陷阱,增加器件的泄漏电流[37-38]㊂因此, PECVD工艺会导致器件的功耗增加以及可靠性变差㊂相比而言,低压力化学气相沉积法(LPCVD)是一种高生长温度和无等离子体源的工艺方法,该方法可以避免等离子体源对AlGaN表面的破坏㊂因此采用LPCVD SiN x代替PECVD SiN x作为GaN HMET的钝化层,提升了器件击穿电压,增强了器件的经时击穿可靠性,降低了栅极泄漏电流以及SiN x/AlGaN界面陷阱密度[39-41],但LPCVD SiN x工艺比PECVD SiN x工艺需要耗费更多的时间㊂2019年,Gao等提出了采用NiO x/SiN x和Al2O3/SiN x代替SiN x作为GaN HEMT的钝化层[42]㊂通过电子束蒸发(EB)沉积Ni和Al薄膜,然后在氧环境中退火来制备NiO x和Al2O3㊂由于NiO x和Al2O3都是化学性质稳定的氧化物且具有良好的绝缘性,所以它们可以被用作HEMT的钝化层㊂为了防止金属层被氧化物氧化,在钝化层工艺中采用NiO x/SiN x(Al2O3/SiN x)的堆叠工艺㊂他们在实验孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期5㊀中对比了NiO x /SiN x (Al 2O 3/SiN x )工艺与传统的单层PECVD SiN x ,结果显示采用NiO x /SiN x 和Al 2O 3/SiN x 作为钝化层抑制了HEMT 的电流崩塌效应,降低了栅极泄漏电流,增强了器件的抗击穿能力㊂相比于SiN x 材料,采用高k 材料如:HfO 2(相对介电常数εr ʈ20)[43]㊁LaLuO 3(εr ʈ20)[44]和TiO 2(εr ʈ20)[45]作为GaN HEMT 的钝化层也得到了广泛的研究㊂研究表明采用高k 材料的钝化层降低了器件栅极下方的电场峰值,使栅极和漏极之间的电场分布变得平滑,提升了器件的击穿电压和经时击穿可靠性[46-47]㊂2018年,Kabemura 等研究了不同介电常数的高k 材料对GaN HEMT 栅下电场的影响[35]㊂结果表明,更高介电常数的高k 材料更好地优化了HEMT 栅极下方的电场,增加了器件的击穿电压㊂3.3㊀GET 结构AlGaN /GaN 肖特基势垒二极管(SBD )结构是GaN HEMT 的重要组成部分[48-49]㊂在栅极应力下,SBD 结构中的AlGaN 层被击穿是导致GaN HEMT 经时击穿的关键原因[24,28-29]㊂因此,对SBD 结构的优化可以增强GaN HEMT 的经时击穿可靠性㊂2013年,Lenci 提出了GET 结构[50],通过在GaN HEMT 的栅极边缘增加一层Si 3N 4介质层,来改善器件的栅极边缘电场特性,如图5所示㊂在AlGaN /栅金属界面引入Si 3N 4介质层,不仅钝化了AlGaN 表面的陷阱,也增加了界面势垒高度,从而降低了栅极隧穿电流㊂实验结果显示,具有GET 结构的HEMT 在-600V 栅电压下的栅泄漏电流低于1μA /mm ,比传统栅极结构HEMT 的栅极泄漏电流低约四个数量级,这表明GET 结构的HEMT 具备更好的耐击穿性能㊂图5㊀GaN HEMT 中的栅极边缘终端(GET )结构示意图[50]Fig .5㊀Schematic diagram of gated edge termination structurein GaN HEMT [50]为了提升GET 结构的经时击穿可靠性,2017年Hu 等提出了采用体膜质量更佳的金属有机物化学气相沉积(MOCVD )Si 3N 4代替PE -ALD Si 3N 4作为GET 结构中的介质层[24]㊂他们在实验中对比了分别采用25nm MOCVD Si 3N 4和25nm PE -ALD Si 3N 4作为介质层的GET 结构的经时击穿结果,发现采用MOCVD -Si 3N 4介质层可以将器件的t BD 提升十倍,并且将击穿电压从15V 提升至25V ㊂2018年,Acurio 等提出了双层GET 结构来改善SBD 的经时击穿[51]㊂与传统的GET 结构相比,双层GET 结构通过添加第二个GET 层,在AlGaN 势垒内形成了一个新的电场尖峰,这不仅减轻了第一个GET 结构拐角处的电场,而且使电场的分布更加均匀㊂实验结果显示,相比传统的GET 结构,双层GET 结构有效延长了SBD 的击穿时间㊂这种双层GET 结构也可以引入到GaN HEMT 中,改善器件栅极边缘以及AlGaN 层的电场分布,降低器件的泄漏电流,从而改善器件的经时击穿可靠性㊂4㊀结语GaN HEMT 具备高工作频率㊁高能量密度等优势,在高频㊁高功率器件等领域得到了广泛的应用,然而GaN HMET 器件的可靠性问题成为了限制GaN 器件发展的瓶颈㊂其中,经时击穿可靠性问题作为GaN 器件可靠性研究的关键一环,得到了越来越多的关注㊂本文介绍了GaN HEMT 在长时间栅应力下发生经时击穿的现象及其偏压依赖性㊂随后,总结了GaN HEMT 栅极介质层和AlGaN 层经时击穿的物理机制㊂最后,讨论了通过场板技术㊁钝化层以及GET 技术对GaN HEMT 经时击穿可靠性的提升㊂其中,场板技术降低了栅极边缘处的电场尖峰,改善了器件的经时击穿㊂钝化层技术通过降低器件的初始泄漏电流和栅漏之间的尖峰电场,以提升器件的抗击穿能力㊂GET 结构则是侧重于栅极介质层工艺,不仅降低了栅边缘处的尖峰电场,也抑制了渗流路径的产生㊂这三种工艺技术在器件制备中的灵活运用,可以更好地提升器件的经时击穿可靠性,延长器件的使用寿命,拓宽器件的应用场景㊂参考文献:[1]Ma B D.Driving GaN power transistors [C ]//31stInternational Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD ).NY ,USA :IEEE ,2019:87-90.[2]Li X ,Amirifar N ,Geens K ,et al.GaN -on -SOI :monolithically integrated all -GaN ICs for power孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展6㊀Vol.39No.12Dec.2020 conversion[C]//2019IEEE International ElectronDevices Meeting(IEDM).NY,USA:IEEE,2019:4.4.1-4.4.4.[3]冯旭东,胡黎,张宣,等.GaN功率器件栅驱动电路技术综述[J].微电子学,2020,50(2):207-213. 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肖特基接触与欧姆接触

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。

欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)（2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透(Tunneling)，而同时使Rc阻值降低。

若半导体不是硅晶，而是其它能量间隙(Energy Cap)较大的半导体(如GaAs)，则较难形成欧姆接触(无适当的金属可用)，必须于半导体表面掺杂高浓度杂质，形成Metal-n＋-n or Met al-p+-p等结构。

理论任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）（或者严格意义上，化学势）必须相等。

费米能级和真空能级的差值称作工函。

接触金属和半导体具有不同的工函，分别记为φM和φS。

当两种材料相接触时，电子将会从低工函一边流向另一边直到费米能级相平衡。

从而，低工函的材料将带有少量正电荷而高工函材料则会变得具有少量电负性。

最终得到的静电势称为内建场记为Vbi。

这种接触电势将会在任何两种固体间出现并且是诸如二极管整流现象和温差电效应等的潜在原因。

内建场是导致半导体连接处能带弯曲的原因。

明显的能带弯曲在金属中不会出现因为他们很短的屏蔽长度意味着任何电场只在接触面间无限小距离内存在。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与n型半导体相接触。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与p型半导体相接触。

在经典物理图像中，为了克服势垒，半导体载流子必须获得足够的能量才能从费米能级跳到弯曲的导带顶。

穿越势垒所需的能量φB是内建势及费米能级与导带间偏移的总和。

同样对于n型半导体，φB = φM − χS当中χS是半导体的电子亲合能（electron affinity），定义为真空能级和导带（CB）能级的差。

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维普资讯
２００６年１２Ｈ
西安电ｆ科技Ｊ学学报（：九然科学Байду номын сангаас版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩＡＮＵＮＩＤＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｄｅ．０６ｃ２０Ｖ０．３Ｎｏ６１３．
第３３卷
ｃａａｔｒｓｉｓｉ５０ａｎａｉｇｆｒ５ｉ．Ｕｎｅｈｓｃｎｉｏｈｘｍｕｔａｓｏｄｃａｃａｓｄｈｒｃｅｉｔｓ０ ℃ ｎｅｌｏｎｃｎａｒｄｒｔｉｏｄｔｎｔｅｍａｉｍｒｎｃｎｕｒｎｅｉｒｉｅｉｓ
第６期
Ａ１／ＮＨＥＧａＧａＭＴ在ＮＮ２中高温退火研究
王冲，张金风，郝跃，冯倩，杨燕，张进城
（西安电ｑ科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室．西西安－陕７０７）１０１
ｃｍｐｒｄａｄａａｙｅ．Ａｌｏｍｅｓｒｄｗｅｅｔｅｃａｇｆｔｅｃａａｔｒｓｉｓｏｈｈｉｃｎａｔｎｏａｅｎｎｌｚｄｓａｕｅｒｈｈｎｅｏｈｈｒｃｅｉｔｆｔｅｏｍｃｏｔｃｓａｄｃ
火时间为５ｎ该条件退火后高电子迁移率晶体管最大跨导提高８９．．ｍｉ． ‰ 肖特基栅反向漏电流减小２个
数量级．值电压绝对值减小．火后肖特基势垒高度提高．减小栅泄漏电流的同时对沟逆电子也有阈退在耗尽作用．是施和电流和闻值电压变化的主要原因．用扫描电子显徽镜观察肖特基退火后的形貌，这采
５０未发现明显奄化．０ ℃ 有起泡现象．０℃ ６０
关蕾词：高电子迁移率晶体管；漏电流；泄闻值电压；触电阻接
中圈分类号：＇３５３Ｎ２．Ｉ
文献标识码：Ａ
文章编号：（）４０２０）６０６ —４ｌ（）卜２０（０６０ —８２０