GaN热特性.doc

1.介绍AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管，由于它强大的性能功能引起广泛的关注。这项技术成为高频大功率应用方面的阈值组成部分，这就需要我们了解影响期间长期稳定性的退化机理。实际应用GaN HEMT在大功率雷达系统将会需要期间在饱和状态下运行，同时接受大型号RF，导致器件经受强电场和强电流密度。例如，坎贝尔和杜普卡发表了截止频率40W单刀双掷GaN（在SiC衬底上生长的）开关器件，栅极偏压为-37V，源漏间距为4m，与我们在这里要研究的类似1。通过一个dc（直流）栅极偏压阶梯应力实验，我们可以得到一个偏压使器件在肖特基接触情况下不受强电场的影响，这已经是被一些研究小组详细研究过了的。然而，在这些人的研究中却没有关于在肖特基接触情况下反向直流栅偏压与温度之间的相互影响的知识。在强反向栅偏压阶梯应力实验中，AlGaN/GaN HEMT栅极漏电流看起来稳定的增加，知道达到阈值电压（VCRL）。这时，栅极漏电流急剧增加约1-2个数量级。这种现象是由于逆压电效应的影响。随着电场的增强，在ALGaN层的张应力增加。当张应力达到峰值，并且确信达到阈值电压，由过度机械应力产生的晶格缺陷产生了电子陷阱且增加了通过缺陷态的电子隧穿。虽然我们所使用的器件的电学特性在阶梯应力实验期间和之后与报道中的结果很相似，但是在栅极边缘处的裂纹在我们的研究中没有被观察到。为了更进一步研究和了解使在强反向栅偏压下的栅极漏电流的增加的退化机理，这篇文章叙述了阈值电压对于温度的依赖性。2.实验在6H-SiC半绝缘衬底上构筑的AlGaN/GaN HEMTs，先从一层AlN成核层开始（如图1），再在其顶端生长一层2.25mFe掺杂的缓冲层。接着是一层15nm的Al0.28Ga0.72N，再用一层3nm无掺杂的GaN帽层盖住。在晶圆上进行霍尔测试显示表面载流子浓度、表面电阻、电子迁移率分别是1.06x1013cm-2、310/m2和1900cm2/Vs。通过约1000/min速率的感应耦合等离子体台面刻蚀完成对邻近设备的隔离。采用Ti/Al/Ni/Au欧姆接触金属化在850的高温下退火30s，制成源/漏接触。HEMTs使用Ni/Au双栅设计，栅宽150m，栅源和栅漏间距为2m，采用SiNx钝化，再通过等离子体增强化学汽相淀积进行积淀。超过20种相同的类似的HEMTs，栅长为0.14m的单晶片通过HP（惠普）4156C半导体参数分析仪从-10V到-42V，以1V为增量，间隔60s逐步加压，在黑暗中将温度从24到150摄氏度的范围内进行测试。器件的温度由加热的卡盘管控，在每一个温度下至少2个器件被图1 （A）器件结构剖面图（B）栅长0.14m的AlGaN/GaN HEMTs在光学显微镜下的图像加热。在室温下测定预应力下的器件的电学特性，确定该器件表现出相同的性能。栅极电流（IG），栅漏极漏电流（IGD），栅源极漏电流（IGS）都可以在应力下检测。此外，截止态的栅极电流IGDFF，可在VDS=0.2V和VGS=-5V偏压下，逐阶测得。漏极和栅极电流电压扫描在室温下通过压应力和张应力测得。在进行阶梯应力实验之前，把器件加热到需要的应力温度，然后在逐阶加温的过程中测量栅极漏电流，漏极和栅极I-V特性，有效跨导。源极和漏极并排放置时为了栅极接触压力堆成。此外，通过数值模拟设备（ATLAS/Blaze）可以确定当处于阈值电压时，在GaN帽层栅极边缘处（由于器件是对称的，源极和漏极两边都会出现）出现的最大电场。3.结果与讨论对于所有的器件来说，进行阶梯应力实验直到达到阈值电压，栅极漏电流会稳定增加，接着栅极电流IG的永久性退化出现，突然增加约一个数量级。在室温下，HEMTs经过阶梯应力实验最高达到-42V的实验之后（如图2），显示出栅极漏电流显著增加（4-5数量级）。然而，随着温度的增加，总的栅极电流增加的并不明显（如图3）。在强反向栅偏压下，漏电流IG的增加已经被证实了，而且还观察到漏极和源极电阻的增加和漏饱和电流的减少也与其有关(如图4)。图2 在室温下，截止态下阶梯应力实验得出的典型器件的栅电流图3 栅长0.14m的HEMT在阶梯应力实验前后，在（A）35、（B）150处的栅极电压电流特性我们器件的阈值电压在24下为30V，但器件的温度增加到150时，观察到的阈值电压呈线性下降（如图5）。误差线如图4。图中表明在器件晶片所在位置观察到阈值电压的微小变化，很有可能是外延层的微小变化引起的。基于当温度增加VCRL在更低电压处出现的事实，出现在栅极边缘处处于阈值电压下最大电场也会减小。ATLAS/Blaze电子模拟表明最大电场从施加28阈值电压-28V下的3.3MV/cm变化到在150下阈值电压为-18V的2.6MV/cm（如图6）。使用4台设备分别在24到150范围内阶梯递增取4个不同温度测量栅极漏电流，更进一步得说明了设备的负温度依赖。以前报告文章的观点，把阈值电压处IG的急剧上图4 在24下应力测试前后截止态典型器件漏极电压电流特性图5由阈值电压出现时由ATLAS/Blaze 2D模拟得出，栅长0.14m的HEMT的在压力温度下的阈值电压，和压力温度下的肖特基接触边缘处的最大电场。升和反向时IG永久性退化的原因归咎于压电效应。然而，这个结果显示，栅极漏电流急剧增加引起的击穿在相同电场下不会出现，因此在相同压电效应下也不会出现，包括相同的压力下。图6 在21V423K下ALGaN/GaN HEMT电场分布的ATLAS/Blaze 2D 模拟1 Campbell CF, Dumka DC. Wideband h