发展中的GaN微电子(二)

赵正平

(中国电子科技集团公司，北京 100846)

2.1 可靠性研究的进展

在半绝缘SiC衬底上形成的GaN HEMT器件在高功率密度、高压工作、高的二维电子器浓度和高导热等方面均比GaAs有优势，但由于本征的材料与二维电子器形成所独有的特性也同时使它面临和GaAs不一样的、独具特色的，要达到高可靠所遇到的挑战。在高电压工作下，在GaN HEMT栅－漏边缘处的半导体、栅金属和钝化层必然要承受高达107V/cm的静电场;在GaN/AlGaN界面上存在的自极化和压电效应给沟道提供了更多的二维电子气，但在加漏电压时具有压电性质的材料会产生逆压电效应(电场达到一定程度时晶格会产生应力形变，从而产生新的缺陷);在SiC上的GaN外延材料还处在发展初期，比成熟的GaAs外延材料还存在着差距;例如位错密度方面、GaAs外延层的位错密度在104cm－2和105cm－2的水平，而 SiC上的 GaN外延位错密度高达108cm－2。提高GaN HEMT可靠性的研究一直伴随着GaN HEMT性能的研究，在不断深入研究形成性能退化的物理机理，和采取相应对策之中不断把GaN HEMT可靠性提高到MTTF达到107小时水平。

在GaN HEMT研究初期，电流崩塌成为GaN HEMT可靠性与稳定性研究的主要障碍，在直流测试、脉冲测试，以及微波测试过程中，发现漏电流随着测试大幅减小，微波功率也大幅下降。针对这类失效现象提出了和表面态密切相关的“虚栅”模型［40］，器件栅漏之间表面态陷阱中电荷密度的变化调制栅下面的耗尽层，导致漏电流的变化，以及射频功率的下降。可采用SiN膜作为表面钝化以减少表面态的密度，阻碍表面态对电子的俘获，也可用n型薄GaN帽层控制极化感生表面电荷［41］。依据电荷中性原理，提出了表面感生正电荷的机理［42］，按照极化感生载流子对的原理，在GaN器件表面所存在的可移动的表面正电荷，它必然与晶体管沟道中等量的负电荷——电子相伴而生。当脉冲测量和微波测量时，都有可能减少表面可动正电荷;当表面陷阱中的可动正电荷移去时将导致更高的晶体管开启电阻或更低的漏电流。同时由于沟道电流的下降也将导致射频性能的退化。可通过减薄AlGaN势垒层的厚度(挖槽栅工艺)，以减少极化电荷的产生，也可加栅场板以抑制表面可动正电荷的移动。

栅漏电流的控制是GaN HEMT可靠性研究的重要课题。在GaN HEMT表面用SiN钝化膜抑制表面态对器件稳定性影响的同时，发现SiN膜对栅漏电流和栅漏击穿电压也有较大影响。人们采用势垒层上生长GaN帽层的方法来增加表面到沟道的距离，使得表面态的势函数不再有效地调制沟道中的电荷。梯度掺Si的AlGaN势垒层可补偿负极化电荷以阻止空穴的积累。薄的AlN插入层可去除合金层的散射，以改善沟道载流子的迁移率。这些措施能有效的降低栅漏电流。由于栅漏电压较栅源电压大，栅漏边的边墙是栅漏电流的主要途径，因而在栅靠漏边的侧墙上覆盖40～50 nm厚的SiO2介质层，可以阻挡栅漏电流的途径，以减少栅的漏电［43］。

在GaN HEMT的早期失效模式中，发现在加高温时，夹断状态的器件工作1～2小时后，出现漏电流突然增大而引起早期失效。这类器件的栅漏电流偏大，并和外延层存在缺陷密切相关;相反那些栅漏电流较小的器件，在高温下器件稳定性很好［44］。进一步深入研究表明低的栅漏电同时具有小的电流崩塌比的器件更具有好的稳定性。GaN HEMT器件要提高工作电压，必须进一步减少栅的漏电，以提高器件长期可靠性。采用镍栅金属化外层附加一层薄的氧化镍保护膜的方法，可避免在SiN钝化膜形成过程，由于在等离子的环境下在栅边缘产生NiSi合金，它降低了Ni金属的功函数，将导致栅漏电流的增大［45］。在常温下也发现栅漏电引起的早期失效。当VDS=0 V时，给GaN HEMT加反向栅电压，部分器件在Vg为25～30 V时，栅反向漏电突然增加三个量级，形成栅漏电的突然退化。这种退化和GaN HEMT的射频特性退化密切相关。研究表明该栅漏电流失效的机理和逆压电效应，AlGaN势垒层表面自体氧化层，以及势垒层中存在的氧深能级陷阱有关［46］。采用厚度为30Å的GaN帽层可以光滑半导体表面，减少AlGaN自体氧化层的形成和氧缺陷的密度，以及在SiN钝化和金－半接触工艺中适当的清洁表面处理以减少氧的组分来抑制这种栅漏电的失效模式。

逆压电效应是针对GaN HEMT的特点提出的一种由电场引起的AlGaN势垒层的缺陷的失效机理［47］。在GaN HEMT一定的工作条件下，在 FET栅的边缘存在着很强的垂直电场。由于逆压电效应，高电场使得栅下AlGaN势垒层产生应力，当应力超过临界值，应力通过AlGaN晶格产生缺陷而得以放松;如位错缺陷。已通过透射电子显微镜可观察到这种缺陷的形成过程［48］，开始是AlGaN晶格产生类似小坑的缺陷，进而形成裂纹，并引起电学退化。逆压电效应不但会引起GaN HEMT的漏电流下降，沟道电阻增大，而且由于AlGaN势垒层中所产生的缺陷，增加了栅极电子通过AlGaN势垒层到沟道的隧穿几率，导致栅漏电流的增加。抑制逆压电效应的思路有两个方面，其一是减少AlGaN势垒层中的应力，如优化Al的组分，光滑AlGaN表面以减少应力裂纹产生的条件;其二是增加栅场板结构以降低栅下垂直电场，同时增加和源极连接的第二个场板，减少电场集中并减少寄生电容。

热电子效应是场效应器件可靠性研究的重要课题，在Si MOSFET、GaAs基、InP基 HEMT器件都有大量的研究。GaN HEMT也是场效应器件，它的热电子效应研究具有自己的特点。GaN HEMT未施加热电子应力之前，就存在有电流崩塌、栅延迟等早期失效的现象，需要加以克服。同时GaN HEMT栅漏电流较大，产生的因素很多，不能作为GaN HEMT器件的热电子效应的一个标志。GaN HEMT器件的热电子效应和器件表面状态及开态、关态工作有关。在早期研究中，表面用SiN钝化后的GaN HEMT，在加高电场关态工作12小时之后(VDS=20 V，VGS=－8 V)，发现漏电流的退化。其原因是在栅与漏的高电场给热电子能量使得热电子从二维电子器沟道中逃逸并隧穿进入相邻的界面态，或者进入AlGaN/GaN或进入 SiN/AlGaN界面并产生新的缺陷［49］。无钝化膜的GaN/AlGaN/GaN HEMT在开态(VDS=16 V，VGS=0 V)和关态(VDS=32 V，VGS= －6 V)下工作150小时，均观察到热电子效应产生的漏电流退化，栅延迟的离散和栅漏电流的减少。两者的差异是阈值电压漂移不同，关态工作后，在VGS为0处无跨导崩塌。其原因是热电子所引起的退化区域不一样，在开态试验中退化区处于接近漏接触区，关态试验的退化区处于接近栅接触区［50］。SiO2/Si3N4复合膜钝化并有30Å厚的GaN帽层的GaN HEMT，在开态(VDS=25 V，功率密度6 W/mm，结温为260℃)和关态(VDS=46 V，VGS= －6 V，结温为130℃)工作3000小时后，在开态工作观察到漏电流和跨导都下降，沟道电阻增加的退化现象，这是由于热电子效应使得栅与漏表面的陷阱密度增加所致。而关态，由于沟道里缺少电子，退化的现象大幅减小［51］。钝化的器件与非钝化的器件在开关态存在的差异，是由于表面钝化减少了栅漏的电场。非钝化器件的开关态试验和深入的器件物理模拟表明在关态下热电子效应的缺陷产生发生在接近栅边缘的窄区域，使得沟道中电子的迁移率和饱和速度下降，而加功率的状态下，热电子效应是器件退化的主要原因［52］。降低热电子效应的方法之一就是采用场板结构来降低栅漏的电场峰值。

热声子效应对GaN HEMT可靠性研究是一新课题。沟道温度对器件的可靠性是非常重要的，要降低沟道中的温度，首先要利用器件的热沉，但热沉只能排除声学声子的热。要去除热电子产生的热，快速的途径是使热电子发射光学声子;热电子发射的非平衡态光学声子，物理上被称为热声子。大量热声子存在于具有压电或极化性质的GaN材料中，将导致晶格缺陷的产生，因此热声子的寿命和GaN HEMT的可靠性密切相关。热声子寿命和沟道中二维电子器密度和所加电功率相关。在晶格匹配的InAlN/AlN/GaN二维电子器沟道中的热声子寿命最短［53］。

对GaN HEMT失效机理的不断深化研究，并采取相应的对策，使得GaN HEMT的可靠性有了长足进步。通过加速寿命试验，得到了相应的寿命预计的结果。以n型掺杂帽层、SiN钝化为特点的矩形栅结构GaN HEMT，剔除了高栅漏电流的器件之后，加速寿命试验的条件为VDS=50 V，器件处于直流夹断工作，沟道温度为300℃。其MTTF预计，在沟道温度 200℃时为 106小时，其激活能为1.81eV［54］。Si衬底上 GaN HEMT 三温直流加速寿命试验:VDS=28 V，IDS=2.34 A，在 260℃、285℃和310℃作试验，工作400—1000小时，MTTF预计在沟道温度 100℃ 时为 107小时［55］。0.25 μm 栅长、400 μm栅宽，X波段双场板结构的GaN HEMT，剔除栅漏电早期失效的器件后，在VDS=40 V，IDS=250 mA/mm，在260℃、290℃和320℃三温加速寿命试验。同时每隔一个小时开关一次，在 IDMAXS(VGS=1 V，VDS=5 V)状态保持一分钟工作。加速寿命试验预计的MTTF在沟道温度150℃时为107小时［46］。0.15 μm 栅长，毫米波波段栅场板、SixNy表面钝化的GaN HEMT，三温射频加速寿命试验，VDS=25 V，IDS=100 mA/mm，射频输出2 dB压缩功率，沟道温度分别为280℃、315℃和345℃。试验预计的MTTF在沟道温度为125℃时为3.5×109小时，其激活能为 1.80 eV［56］。

3 新的发展机遇

GaN微电子的发展规律和GaAs微电子发展很类似，从分立器件到MMIC，目前又进入高速数字电路的发展初期。由于其宽禁带、界面应力、高导热、高二维电子气密度和高电子饱和速度等特点，在整个微波到3 mm波段内形成高功率密度和高效率的特点，是GaAs MMIC在功率放大等方面的后续发展替代者，目前GaN HEMT高速器件的加工尺度已进入了GaN纳电子的范畴，fT已达到190 GHz，正向fT为300 GHz到500 GHz进军。由于GaN纳电子在栅长达到10 nm量级时，其击穿电压还能保持10 V，是Si CMOS高速电路在数模和射频电路领域的后续发展中的新的竞争者。GaN纳电子已成为第三代半导体发展中的一个新的机遇。由于其材料还在发展之中，位错密度仍较高，界面上的新效应在形成二维电子气高密度和逆压电效应两个方面给我们带来机遇与挑战，克服这些挑战将会在可靠性方面更加向成熟方向迈进。

我国的GaN微电子的发展几乎与国际上同步，在国家的自主创新战略思想的指导下，国内GaN微电子领域的精英们在SiC单晶、GaN外延材料、GaN微波功率器件和MMIC都取得了重大的进步，正在从科研向工程化转变。在GaN微电子发展前期，我们抓住GaN微电子的分立器件和MMIC发展的机遇，“十二五”期间，GaN微电子要在两方面形成新的抓手:一方面把GaN分立器件和MMIC的可靠性、稳定性解决好，实现工程化，进而形成供货能力;另一方面要继续跟上国际发展GaN微电子的新的步伐，把更高频率和高速数字领域的GaN纳电子发展作为新的起点，在GaN纳电子的新挑战中再立新功。机遇偏爱于有准备的头脑，在新世纪第二个十年开始之际，让我们在GaN微电子的发展中做出更大贡献!

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