GaN基HEMT器件的缺陷研究综述

郭伟玲， 陈艳芳， 李松宇， 雷 亮， 柏常青

(北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)

GaN基HEMT器件的缺陷研究综述

郭伟玲*， 陈艳芳， 李松宇， 雷 亮， 柏常青

(北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室， 北京 100124)

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)因具有高输出功率密度、高工作频率、高工作温度等优良特性，在高频大功率等领域具有广泛应用前景。目前，HEMT器件在材料生长和工艺制备方面都取得了巨大的进步。但是，由缺陷产生的陷阱效应一直是限制其发展的重要原因。本文首先论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置及其产生的原因。然后，阐述了由陷阱效应引起的器件电流崩塌、栅延迟、漏延迟、Kink效应等现象，从器件结构设计和工艺设计角度，总结提出了改善缺陷相关问题的主要措施，其中着重总结了器件盖帽层、表面处理、钝化层和场板结构4个方面的最新研究进展。最后，探索了GaN基HEMT器件在缺陷相关问题上的未来优化方向。

GaN； 高电子迁移率晶体管(HEMT)； 缺陷； 陷阱效应

1 引 言

近几十年来，AlGaN/GaN HEMT器件因具有高电子迁移率、高电流密度、高耐受温度等优良特性而广泛应用于高频大功率电子器件领域[1]。但GaN基HEMT中缺陷引起的相关问题一直是限制其发展的重要因素。在材料生长和器件制备工艺过程中，会不可避免地引入缺陷，这些缺陷会在器件工作时产生陷阱俘获效应，使频率响应产生延迟，引起电流崩塌、射频散射、栅延迟等现象，导致器件的退化及不稳定性，严重影响器件的性能[2-3]。在1993年世界上的第一只 AlGaN/GaN HEMT 器件问世后，Khan 的研究小组观察到了器件中的电流/电压崩塌现象，并认为这一现象是由栅下绝缘层中的陷阱俘获电子所致[4-5]。之后很多研究发现，缺陷引起的陷阱效应对器件的性能产生的严重的影响，尤其是栅漏之间的势垒层缺陷和表面缺陷，易导致虚栅效应，进而增加外沟道电阻，使得输出功率降低[6-7]。

多年来，众多研究团队利用不同的方法对器件的陷阱俘获效应进行了大量的研究。本文论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置以及各自的产生原因，分析了陷阱效应对器件产生的影响，并在改善器件陷阱效应的措施方面，介绍了其最新研究进展。最后，针对器件缺陷相关问题，展望了器件的主要优化方向。

2 缺陷位置及产生原因

图1展示了GaN基HEMT器件中的主要的缺陷位置，有位于AlGaN表面的表面态、AlGaN/钝化层界面缺陷、AlGaN/GaN 异质结界面处界面缺陷、AlGaN势垒层和GaN缓冲层中的体缺陷。

图1 AlGaN/GaN HEMT 器件中缺陷位置示意图

Fig.1 Schematic diagram of defect location in AlGaN/GaN HEMT device

AlGaN/GaN异质结界面缺陷和AlGaN/钝化层界面缺陷主要是由于材料生长和器件制作过程中产生的位错和缺陷形成的。另外，对于GaN基MIS-HEMT结构和MOS-HEMT结构的器件来说，AlGaN/绝缘层和AlGaN/氧化层界面处也存在着界面缺陷。Dammann等人利用高低频电容技术计算得GaN/SiN界面缺陷密度在1012量级[6]。2015年，Yang等人用变温和变频C-V法测试分析Al2O3/GaN/AlGaN/GaN MIS-HEMT结构的界面缺陷，计算出在距离导带0.24～0.78 eV处，界面缺陷密度分布范围为6×1011～ 6×1012cm-2·eV-1[8]。2016年，Matteo等人实验验证了AlGaN/绝缘层界面缺陷和栅绝缘层中的陷阱俘获电子是阈值电压漂移的原因[9]。

AlGaN势垒层和GaN缓冲层体缺陷的形成原因是多方面的。一是GaN材料没有合适的外延衬底，因此大部分是使用异质外延衬底，而异质外延存在晶格常数不匹配问题，会使得材料在外延生长过程引入位错和缺陷，这些缺陷会在禁带中形成大量的深能级陷阱态；二是AlGaN/GaN HEMT结构要求GaN缓冲层呈高阻特性，这通常是通过杂质补偿来实现，也会引入GaN层体缺陷。2014年，Meneghini等人也证实了AlGaN/GaN HEMT的缓冲层陷阱浓度依赖于缓冲层的Fe掺杂[10]。未来HEMT器件必将广泛应用于航空航天领域，然而辐射会在GaN器件中引入空位、间隙原子以及一些络合物等辐射缺陷[11-12]，严重影响器件的性能。

3 缺陷对器件性能的影响

3.1 电流崩塌效应

GaN基HEMT的电流崩塌效应依据加条件可分为直流(DC)电流崩塌和射频(RF)电流崩塌两种。GaN基HEMT的直流电流崩塌源自Khan等人的直流性能测试结果，如图2所示。经过高电压冲击后，当源漏电压增大时，器件的输出电流大大减小[5]。目前对GaN基HEMT的DC电流崩塌的形成原因，主要有陷阱俘获效应和自热效应两种。当器件的漏极电压增加时，位于缓冲层、势垒层、AlGaN表面以及AlGaN/钝化层界面的陷阱俘获沟道热电子，导致二维电子气浓度降低，输出电流减小[13]。同时，当器件的漏极电压增大，沟道电流增加，沟道局部温度升高，导致沟道电子的迁移率降低，输出电流减小[14]。对于区分陷阱俘获效应和自热效应的作用大小，通常采用脉冲测试的方法，但自热效应与陷阱俘获效应对HEMT器件电流崩塌的作用机制仍是一个值得探讨的问题。

图2 直流电流崩塌示意图

RF电流崩塌是指HEMT器件在RF信号下，源漏输出电流幅度与直流特性相比剧烈下降，导致输出功率密度和功率附加效率降低的现象，如图3所示[15]。另外，在交流小信号下，器件的跨导、漏极电导在不同频率下会出现分散现象。对于RF电流崩塌效应的形成机理，目前大家比较认可的是Vetury提出的虚栅模型和Simin提出的应力模型[7,16]。应力模型即栅极所加的负偏压增加了AlGaN层的张应力，从而增加了栅源和栅漏之间的压应力，降低了极化电荷密度，增加了栅、源、漏之间的串联电阻，导致输出电流减小。虚栅模型认为，器件表面的表面态在器件工作的过程中捕获电子，在栅漏之间的表面形成一个虚拟的栅极。在RF条件下，虚栅会调制到二维电子气的浓度，使得器件输出电流减小，产生电流崩塌效应。目前对应力模型和虚栅模型，虽然很好的解释了射频电流崩塌效应，但仍有争议的地方，比如说应力模型无法解释钝化介质的硬度与电流的关系不大、MOS和MIS结构并不能完全消除RF电流崩塌效应等。在虚栅模型中，虚栅对沟道电流的调制机理仍需进一步研究，并且电流崩塌与掺杂浓度、温度之间的关系仍有探索的空间。

图3 RF电流崩塌示意图

3.2 栅延迟、漏延迟

只要用眼，晶状体就无时无刻都在发生变化，阅读距离、用眼时间、光照条件、活动状态等都会导致晶状体形态改变。因此，晶状体屈光参数的横断面观察研究必须统一基线后才能进行，但现有报道对此均不够严格。此外，目前仍无规范设计的纵向队列研究来明确晶状体在视觉反馈机制中的变化与青少年近视发生发展的因果关系。

栅延迟和漏延迟分别指当栅端或者漏端加上一个脉冲信号时，漏电流响应的延迟现象。如图4所示的栅延迟现象，栅电压从0 V切换到-1 V(Pulse off)时，由于陷阱中心电子的释放，漏电流缓慢下降到其稳态值；栅电压从-6 V切换到-1 V(Pulse on)时，由于陷阱俘获效应，漏电流缓慢上升到其稳态值[17]。实验研究发现，漏延迟和栅延迟主要是缓冲层陷阱和表面态的作用结果[18-20]。Schrimpf等人研究了质子辐照前后，缺陷对HEMT器件栅延迟的影响关系。他们认为质子辐照前，表面陷阱对栅延迟起主要作用；而在质子辐照后，在GaN缓冲层和AlGaN势垒层产生的体缺陷起主要作用[21]。2014年，Zhou等人认为，无法因钝化而消除的GaN缓冲层缺陷对栅延迟的有着重要影响[17]。

图4 脉冲关断和脉冲开启过程中的栅延迟瞬态响应

Fig.4 Gate-lag transient response for pulse-off and pulse-on

3.3 Kink效应

Kink效应是指当源漏电压较大时，输出电流突然增大的现象。Kink效应会导致输出电导(Gds)的增加，跨导的减小，以及直流特性与射频特性的差异，使器件的不稳定性加剧。在早期报道里，碰撞电离被认为是产生Kink效应的主要原因。近些年来，Fu等提出，场相关的陷阱对载流子的俘获和释放在Kink效应中起着重要作用[22]。同年Kevin的研究也表明，GaN缓冲层中施主态陷阱对沟道热电子的俘获与释放是产生Kink效应的主导机制，并通过温度相关的瞬态电流法提取出陷阱的激活能为589±67 meV[23]。2012年，马骥刚等人在直流模型的基础上建立了AlGaN/GaN HEMT中的Kink效应的半经验模型，结合仿真和实验分析得出，HEMT器件的Kink效应除了来源于碰撞电离，还与陷阱效应和自热效应密切相关[24]。2014年，马晓华等人分析了基于AlGaN背势垒HEMT的Kink效应(图5)，利用直流I-V测试将Kink效应相关的深能级陷阱定位在GaN沟道层中，并提出GaN沟道层中由碰撞电离而产生的热电子会影响电子的俘获与释放[25]。2015年，朱慧等人在实验中观察到AlGaN/GaN HEMT器件中的Kink效应，并认为该效应是由位于GaN缓冲层中的受主陷阱引起的[26]。

图5 基于AlGaN背势垒GaN基HEMT的Kink效应

Fig.5 Kink effect of the GaN-based HEMT with AlGaN back barrier layer

4 改善措施

4.1 生长GaN盖帽层

P型GaN盖帽层可以利用离化的受主杂质形成负空间电荷层，屏蔽表面势的波动对沟道电子的影响。而且由于盖帽层比较厚(一般有50 nm)，可以使沟道电子远离器件表面，由此进一步减小了器件表面态对沟道电流的影响。2004年，Shen等人利用GaN盖帽层减小电流崩塌效应，在n型掺杂的AlGaN势垒层上再生长一层250 nm的非故意掺杂(UID) GaN盖帽层，消除了RF电流崩塌效应[27]。2012年，Kim等人制备了高性能的p-GaN HEMT器件，获得很低的栅泄漏电流，并且实现了3 V的阈值电压[28]。2016年，苏州纳米所张宝顺课题组提出H等离子体钝化p-GaN技术，实现了增强型p-GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT(图6)。不同于采用刻蚀工艺去除栅下以外的p-GaN盖帽层，H等离子体技术将栅下以外的p-GaN盖帽层变为高阻的GaN，保留下来的厚的高阻GaN有利于降低器件的电流崩塌[29]。由于制备P型盖帽层结构需要通过选择性外延或二次外延的方法制备，技术难度大，且需要对p-GaN层进行刻蚀，容易造成刻蚀不均匀和刻蚀损伤的问题，目前高器件性能的报道不多。

图6 不同工艺下的增强型p-GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件结构示意图。(a)器件A：生长；(b)器件B：用Cl2/BCl3刻蚀；(c)器件C：H等离子体处理。Fig.6 Schematic diagram of p-GaN-AlGaN/GaN HEMT devices with different processes. (a) DeviceA: as-grown, (b)Device B: with Cl2/BCl3etching. (c) Device C: with hydrogen plasma treatment.

4.2 表面处理

目前表面处理可采用NH3等离子体、SiH4等离子体、N2O等离子体或者HF、HCL等化学溶剂。2014年，Lin等人对AlGaN势垒层进行表面处理，减少了SiNx-AlGaN界面的深能级陷阱态，降低了器件的电流崩塌，提高了阈值电压的温度稳定性[30]。2015年，Tseng等人在生长GaN基MOS-HEMT器件的栅介质之前，用不同配比的化学溶剂处理GaN表面，有效减小了栅介质与AlGaN势垒层之间的界面态陷阱密度[31]。同年，宓珉瀚等人用N2O等离子体表面处理方法降低了器件的缺陷密度和缺陷的时间常数，认为N2O等离子体表面处理可以恢复N空位引起的表面缺陷，减小器件的缺陷密度，提高器件的直流特性和频率特性[32]。Liu等人在生长SiN钝化层之前用N2等离子体处理GaN表面，结果显示N2等离子体处理有效降低了SiN/GaN界面缺陷密度[33]。

4.3 钝化层

钝化就是在器件表面沉积介质薄膜形成钝化保护层[34]。多个研究小组证实，器件通过Si3N4钝化可以增加沟道载流子密度、提高功率密度和附加效率、减少RF电流崩塌效应[35-36]。2000年，Green等人提出用钝化的方法减小GaN基HEMT的RF电流崩塌效应。他们认为钝化过程中Si进入AlGaN势垒层成为浅施主，补偿了表面施主态，即钝化阻止了虚栅的形成从而改善了电流崩塌效应[37]。近些年，郝跃课题组对SiN钝化后的AlGaN/GaN HEMT器件进行了中子辐照实验，结果表明SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷[38]。2013年，Tang 等人设计了AlN/SiNx钝化结构，如图7所示，先利用等离子体增强原子层沉积生长一层4 nm AlN，再利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)生长一层50 nmSiNx。实验结果证明，该钝化结构有效减小了泄漏电流和动态导通电阻，降低了电流崩塌效应[39]。虽然钝化层可以有效降低势垒层表面态，改善器件的性能，但也增加了器件的散热问题，降低了器件的击穿电压。针对这些问题，可以选择导热系数高的钝化材料，并且优化钝化层的厚度，从而减小散热，提高器件性能。

图7 具有AlN/SiNx钝化层结构的AlGaN/GaN HEMT器件示意图

Fig.7 Device cross-sectional schematic diagram of AlGaN/GaN HEMT with AlN/SiNxstack as the passivation structure

4.4 场板结构

2008年，魏巍等人研究了场板结构对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌的抑制能力，提出场板结构能够抑制电流崩塌的原因有二：一是场板结构通过改变靠近栅极边缘的耗尽层边界的弯曲程度，来调制电场分布并且减小其峰值，降低电子被表面陷阱俘获的概率，从而抑制虚栅的充电过程；二是场板下的SiO2介质层能够提供表面充电电荷的放电途径，有利于虚栅的放电[40]。2011年，郝跃课题组设计了栅源双层场板器件的结构，如图8所示。他们认为场板结构通过有效调节帽层中自由电子浓度的分布，提高陷阱的电离率，抑制了虚栅的充电，进而减小器件的电流崩塌效应[41]。Kazushige等人验证了场板结构可以降低器件的电流崩塌效应和栅延迟现象，认为场板抑制了电子注入到缓冲层，进而有效降低缓冲层陷阱的俘获效应[42]。之后，该课题组在2016年做了类似的仿真实验，并得出结论：场板会降低栅极靠近漏极边缘的电场，从而减小电子注入到缓冲层的深度[43]。同年，雷勇等人运用数值模拟的方法得出场板结构可以显著地抑制电流崩塌效应的强度，但是对延迟时间没有影响的结论。他们认为场板结构可以增大AlGaN表面附近的空穴积累，导致表面态的离化率增大从而抑制了器件的电流崩塌[44]。

图8 栅源双层场板器件的结构图

Fig.8 Structure diagram of device with gate-source double layer field plate

4.5 其它改善措施

针对GaN基HEMT器件的缺陷问题，在材料生长方面，除了采用横向外延生长(ELOG)、多空插入层技术、斜切衬底生长技术外，自支撑同质外延方法也可大大降低异质结材料缺陷密度。自支撑同质外延即在蓝宝石衬底上，先生长一层AlN或GaN缓冲层，再用MBE或MOCVD等技术生长高质量的AlGaN/GaN 异质结。2012年，Wang等人用低压有机物化学汽相淀积(LP-MOCVD)技术将AlGaN材料生长在自支撑GaN衬底上，发现其位错密度远远小于生长在蓝宝石衬底上的位错密度[45]。此外，为了解决势垒层应变而引起缺陷的问题，有人提出用InAlN 三元合金代替常规 AlGaN 势垒层[46-47]。在晶格匹配较好的InAlN/GaN异质结中，InAlN 势垒层处于无应变状态，有效消除了应变相关的缺陷问题。针对GaN缓冲层的杂质补偿带来的缺陷问题，也可采用禁带更宽的AlGaN背势垒缓冲层结构实现GaN缓冲层的高阻特性，避免杂质补偿引入的缺陷。

5 总结与展望

近年来，GaN基HEMT器件的性能已经取得了巨大的进步，但仍有一些可靠性问题待解决：缺陷相关的电流崩塌效应、栅延迟、漏延迟、Kink效应等问题限制着GaN HEMT器件的输出功率和截止频率。大量研究人员投入到缺陷问题的研究中，利用C-V法、低频噪声和瞬态电流等方法表征器件的陷阱信息，探索陷阱中心与电子的作用机制，并通过引入盖帽层、钝化层和场板结构等方法，降低或消除陷阱俘获效应的影响，提高器件的性能。

将来，针对缺陷引起的相关问题，GaN基HEMT器件需要在以下4个方面继续取得突破进展：(1)设计新的材料结构，减小不同材料之间应变，实现较好的晶格匹配；(2)优化材料生长条件，减小材料的位错和缺陷密度；(3)优化器件制作工艺流程及条件，降低刻蚀、腐蚀等工艺步骤带来的晶格损伤，严格控制表面缺陷的引入；(4)深入探索陷阱中心俘获电子的作用机理，研究陷阱俘获效应与电场、温度之间的影响关系，为器件设计与优化提供理论基础。在以上方向上，若能很好地解决器件的缺陷问题，GaN基HEMT器件将不仅在微波器件领域，而且在传感探测、信息通讯、航空航天等领域都有着巨大的发展空间和良好的发展前景。

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郭伟玲(1966-)，女，山西垣曲县人，教授，硕士生导师，2003年于北京工业大学获得博士学位，主要从事半导体器件可靠性和宽禁带半导体器件的研究。

E-mail: guoweiling@bjut.edu.cn

Reviews on Trapping Effects of GaN-based HEMTs

GUO Wei-ling*, CHEN Yan-fang, LI Song-yu, LEI Liang, BAI Chang-qing

(KeyLaboratoryofOptoelectronicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

High electron mobility transistors (HEMTs) based on GaN have a promising prospect in the fields of high frequency and high power due to their advantages of high output power density, high operating frequency and high operating temperature. At present, great progress has been made in material growth and fabrication processes of HEMTs. However, the trapping effect produced by the defect limits the development of HEMTs. In this paper, the surface states, interface defects and bulk defects of HEMT devices and the causes of these defects were discussed. The phenomenon caused by trap effect such as the current collapse, gate lag, drain lag and kink effect were also described in detail. The main approaches to improve the defects were summarized from structure design and process design. And the latest progresses focusing on the four aspects of the capping layer, surface treatment, passivation layer and field plate structure were reviewed. Further optimization in the defect of the GaN based HEMT devices was explored at the end.

GaN；high electron mobility transistor (HEMT); defect; trapping effect

1000-7032(2017)06-0760-08

2016-12-17；

2017-03-13

国家高技术研究发展计划(863) (2015AA033305)资助项目 Supported byNational High Technology Research and Development Program of China (863) (2015AA033305)

TN304.2; TN386.3

A

10.3788/fgxb20173806.0760

*CorrespondingAuthor,E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn