AlGaN-GaN高电子迁移率晶体管漏电流退化机制研究ver2.doc

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管漏电流退化机制研究* 任舰 闫大为? 顾晓峰 （轻工过程先进控制教育部重点实验室，江南大学电子工程系，江苏，无锡 214122） )表明退化前、后漏电流都以电子Frenkel-Poole (FP)发射主导．退化后，Log(IFP/E )EMMI在器件栅边缘观察到的“热点”，表明引起器件漏电流退化的原因是高电场在AlGaN层产生了新的缺陷． 关键词：AlGaN/GaN，高电子迁移率晶体管，漏电流，退化机制 PACS：72．80．ey． 73．40．kp， 73．40．-c *国家自然科学基金(批准号、江苏省自然科学基金(批准号：BK2012110)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号：JUSRP51323B)、江苏高校优势学科建设工程资助项目和江苏省六大人才高峰资助项目(批准号：DZXX-053)． ? E-mail: daweiyan@jiangnan.edu.cn 电话：0510 1 引 言 近年来，GaN基半导体因其宽禁带（3.4 eV）、高击穿电场（3 MV/cm）、高热稳定性和高电子饱和速度(2×107 cm/s)等优越的物化特性而备受关注．GaN 1 和AlGaN形成的理想异质结也使AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件在高温、大功率微波器件方面极具应用前景[1]．但是，AlGaN/GaN HEMT的可靠性问题不断引起人们的担忧和重视．2008年，Jungwoo Jon等人[2]指出AlGaN/GaN HEMT在栅漏电压高于某临界值后开始退化，器件漏电流会出现永久性的增加．2010年，Marcon等人[3]指出该退化是一个时间依赖过程，即使电压低于临界值，足够长的加压时间仍会造成器件漏电流增加．由于漏电流增加会大幅增加电路低频噪音和功率损耗，降低器件集成度，影响器件工作的可靠性．因此，澄清该退化的本质，进而提高器件的可靠性具有很实际的意义．目前，造成漏电流退化的原因和机制存在较大的争议，主要包括高电场机制[4]、逆压电效应 [2]、热电子诱发缺陷效应[5]、欧姆和栅极金属材料退化[6]等几种不同观点．众所周知，确定器件漏电流的主导机制以及对漏电流的量化分析能够更准确的判断其退化机制，且具有一定的说服力．但是，由于AlGaN/GaN HEMT漏电流的传输机制有隧穿和Frenkel-Poole (FP)发射两种不同的说法，因此，验证漏电流退化前后的传输机制显得很重要．目前，相关的文献还较少。 基于此， 2 器件制备与测试 实验研究的器件是与AlGaN/GaN HEMT等效的AlGaN/GaN异质结肖特基二 2 极管，该结构更方便对漏电流的研究，其横截面示意图和平面照片如图1 (a)和(b)所示． AlGaN/GaN异质结肖特基二极管通过金属有机物气相沉积(MOCVD)法在(0001)面蓝宝石衬底上生长制备而成，其结构包括1.6 μm非掺杂GaN层，18 nm非掺杂Al0.27Ga0.73N势垒层和2 nm非掺杂GaN帽层．在室温下，通过电容-电压计算得到该异质界面的二维电子气(2DEG)浓度约为5.42×1012 cm-2．电极结构包括直径110 μm的圆形肖特基电极和间距为20 um的欧姆接触．欧姆接触采用电子束蒸发Ti/Al/Ti/Au，然后在800 oC 氮气气氛中快速热退火获得，Ni/Au (50/300 nm)肖特基圆形接触采用标准光刻life-off技术定义．为了减少器件表面横向漏电流，利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）蒸镀了一层二氧化硅作为钝化层． 采用安捷伦B1500A精密半导体参数分析仪对器件进行电流-电压、电容-电压、步进应力测试．在固定反偏电压下，进行退化实验的同时，使用EMMI在不同时间对器件表面的光发射进行观测． (a) (b) 图1 AlGaN/GaN 异质结肖特基二极管 (a) 横向截面图; (b) 平面照片 3 结果与讨论 步进应力测试结果如图2所示，测试电压从-40 V到-120 V，每次增加幅度为20 V，电压持续时间为1000 s．可以看到，器件漏电流退化前后存在三种变化： （1）加压开始不久，漏电流伴随着较小的噪声快速降低，该降低是可恢复的；（2） 3 退化前，漏电流开始出现较大的噪声；（3）当电压高于临界值时，漏电流伴随着较大的噪声增加，该增加是永久的．下面具体分析造成这三种器件漏电流变化的机制． I/?At/s 图2 步进应力测试结果 分析器件漏电流退化机制前，需要先确定漏电流退化前、后的传输机制．目前，对于AlGaN/GaN HEMT漏电流的传输机制主要有两种不同的说法：隧穿(直接隧穿、陷阱辅助隧穿