AlN鈍化器件電流崩塌分析

電流崩塌和關(guān)態(tài)柵漏電一樣，是制約GaN基HEMT器件發(fā)展的非常重要的因素之一，一方面表現(xiàn)為，在脈沖測(cè)試條件下漏極輸出電流與直流特性相比大幅減小；另一方面表現(xiàn)為，在微波大功率應(yīng)用中，器件實(shí)際飽和輸出功率與預(yù)測(cè)值相比具有很大差距；在功率電子器件應(yīng)用中，則表現(xiàn)為脈沖和交流信號(hào)下，器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻與直流測(cè)試值相比具有較大退化，影響開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度和功率損耗性能。R. Vetury等人提出的“虛柵”模型很好的解釋了HEMT器件的電流崩塌現(xiàn)象，而采用表面鈍化技術(shù)可以在微波功率和高壓開(kāi)關(guān)應(yīng)用中有效改善器件的電流崩塌。本研究采用PEALD沉積AlN材料作柵絕緣層的同時(shí)，利用其作為器件表面鈍化層材料，本節(jié)即采用脈沖測(cè)試方法研究了PEALD沉積AlN鈍化器件的電流崩塌特性，并將其與常規(guī)的PECVD沉積SiN鈍化層材料進(jìn)行了對(duì)比分析。

利用雙脈沖I-V測(cè)試方法對(duì)GaN基HEMT器件的電流崩塌特性進(jìn)行了研究，測(cè)試中柵壓和漏壓信號(hào)波形示意圖如圖1所示，其中VdQP和VgQP分別為漏極和柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，本文約定將特定靜態(tài)工作點(diǎn)偏置下脈沖測(cè)試稱(chēng)為（VdQP，VgQP）態(tài)脈沖測(cè)試。研究了多種靜態(tài)工作點(diǎn)偏置下的脈沖曲線，漏極測(cè)試電壓從0V掃描至10V，掃描步長(zhǎng)為0.5V，而柵極測(cè)試電壓從關(guān)態(tài)-6V變化至2V，步長(zhǎng)為1V。測(cè)試中使用的方波脈沖信號(hào)周期為100μs，測(cè)試脈沖寬度為500ns，脈沖上升沿和下降沿時(shí)間均為150ns。另外，本文通過(guò)器件輸出曲線線性區(qū)擬合提取出了導(dǎo)通電阻Ron值，對(duì)0-1V漏壓范圍內(nèi)輸出曲線線性擬合得出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻，柵極測(cè)試電壓偏置在0V，并通過(guò)導(dǎo)通電阻和飽和輸出電流的歸一化退化量衡量了器件的表面鈍化效果。

圖1 輸出曲線脈沖測(cè)試電壓波形示意圖

在（0V，0V）和（-8V，10V）兩種靜態(tài)偏置條件下測(cè)試了AlN鈍化器件的脈沖輸出曲線，如圖2所示，脈沖測(cè)試條件下飽和輸出電流高于直流測(cè)試值，這是因?yàn)槊}沖測(cè)試中器件自熱效應(yīng)減弱。靜態(tài)工作點(diǎn)為（0V，0V）時(shí)，器件柵極和漏極都無(wú)電壓應(yīng)力，可以認(rèn)為對(duì)器件進(jìn)行了“準(zhǔn)靜態(tài)”測(cè)試，則直流測(cè)試與其之間的輸出電流差異可以認(rèn)為是器件自熱效應(yīng)導(dǎo)致的退化。柵壓為2V，漏壓為10V時(shí)直流和（0V，0V）態(tài)輸出電流值對(duì)比得出，藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)結(jié)的自熱效應(yīng)使0.5μm器件的輸出電流降低了約22%。與（0V，0V）態(tài)脈沖電流相比，（-8V，10V）態(tài)脈沖測(cè)試條件下電流崩塌使輸出電流降低了約6%。在氮化物電子器件中，PECVD沉積SiN是最常用的鈍化層材料，本研究將其與PEALD沉積AlN鈍化層材料進(jìn)行了對(duì)比，柵壓為2V時(shí)的直流與脈沖輸出曲線如圖3所示。在SiN鈍化器件中，自熱效應(yīng)的消除同樣使（0V，0V）態(tài)脈沖電流高于直流測(cè)試值，自熱效應(yīng)導(dǎo)致的輸出電流退化量約為20%，說(shuō)明表面鈍化材料對(duì)器件散熱影響不大。但是，PECVD-SiN鈍化器件的（-8V，10V）態(tài)脈沖測(cè)試電流與“準(zhǔn)靜態(tài)”測(cè)試相比降低了約26%，已經(jīng)低于直流測(cè)試輸出電流值。PECVD沉積SiN鈍化器件的電流崩塌量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PEALD沉積AlN鈍化器件測(cè)試結(jié)果，突顯了PEALD沉積AlN材料在氮化物器件表面鈍化方面的優(yōu)勢(shì)。

圖3 （a）PEALD沉積AlN與（b）PECVD沉積SiN鈍化HEMT器件的電流崩塌對(duì)比結(jié)果

GaN基HEMT器件的電流崩塌由柵-漏溝道區(qū)表面的“虛柵”引起，當(dāng)柵極相對(duì)于漏極處于低電勢(shì)時(shí)，柵電極的電子在電場(chǎng)作用下會(huì)沿著勢(shì)壘層表面向漏極漂移，流經(jīng)表面態(tài)時(shí)被俘獲導(dǎo)致勢(shì)壘層表面形成耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的存在類(lèi)似于外加了一個(gè)“虛柵”，導(dǎo)致電流崩塌。如此說(shuō)來(lái)，脈沖測(cè)試中電流崩塌量的大小與“虛柵”建立的程度有關(guān)，即取決于柵-漏之間電勢(shì)差的大小，所以本文進(jìn)一步研究了柵極和漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓對(duì)器件電流崩塌的影響。分析過(guò)程中，為了消除器件自熱效應(yīng)的影響，沒(méi)有采用直流電流作為參考值，而是采用（0V，0V）態(tài)測(cè)試作為參考。圖4給出了柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓對(duì)HEMT器件電流崩塌的影響，漏極靜態(tài)工作點(diǎn)保持在0V不變，柵極靜態(tài)工作點(diǎn)從0V減小到-12V，柵極直流電壓偏置在0V。以（0V，0V）態(tài)脈沖測(cè)試最大電流作為基準(zhǔn)對(duì)輸出曲線進(jìn)行了歸一化處理，隨著柵極靜態(tài)工作點(diǎn)減小，電流崩塌現(xiàn)象更加嚴(yán)重，這是因?yàn)殡S著負(fù)柵壓應(yīng)力增大，柵-漏之間電勢(shì)差的提高使柵極流出的表面電流增大，更多的電子填充表面態(tài)，表面耗盡區(qū)展寬，虛柵效應(yīng)和電流崩塌增大。電流崩塌量定義為漏壓為10V時(shí)輸出電流減小的百分比，柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓在-8V以內(nèi)時(shí)，電流崩塌量小于5%，且隨靜態(tài)工作點(diǎn)電壓變化不大，這是因?yàn)樵谟斜砻鎽B(tài)存在的情況下柵-漏表面漏電遵循空間電荷限制效應(yīng)模型，柵極電子不能克服表面勢(shì)壘，即不能提供充足的電子填充表面態(tài)，“虛柵”無(wú)法有效形成，電流崩塌不明顯。隨著負(fù)柵壓應(yīng)力增大，柵極電子克服表面勢(shì)壘形成遵循指數(shù)規(guī)律的表面漏電，電流崩塌量隨柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓的減小迅速增大。但是，柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓減小到-12V時(shí)，電流崩塌量小于15%，依然低于自熱效應(yīng)的影響。

圖4 極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓對(duì)HEMT器件（a）電流崩塌曲線和（b）崩塌量的影響

漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓對(duì)HEMT器件電流崩塌的影響如圖5所示，柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓固定在-8V，柵極直流偏置電壓為0V。與上述情況類(lèi)似，隨著漏壓應(yīng)力的增大，電流崩塌效應(yīng)更明顯。漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓小于10V時(shí)，空間電荷限制效應(yīng)使器件表面漏電和電流崩塌量很?。混o態(tài)工作點(diǎn)高于10V后，柵極電子克服表面勢(shì)的束縛，呈指數(shù)規(guī)律變化的表面漏電使電流崩塌量隨著漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓升高而迅速增大，并在VdQP為25V時(shí)電流崩塌量與自熱效應(yīng)相當(dāng)；漏極靜態(tài)工作點(diǎn)繼續(xù)增大達(dá)到30V時(shí)，表面漏電進(jìn)入高場(chǎng)區(qū)，表面電子速度區(qū)域飽和，漏電流曲線變得平緩，電流崩塌量與漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓之間的相關(guān)性減弱。

圖5 漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓對(duì)HEMT器件（a）電流崩塌曲線和（b）崩塌量的影響

除了電流崩塌量，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化也是衡量器件電流崩塌現(xiàn)象的重要指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)輸出曲線線性區(qū)（漏壓0-1V）擬合提取導(dǎo)通電阻Ron，脈沖測(cè)試中柵極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓為-8V，柵壓直流偏置為0V。為了消除自熱效應(yīng)的影響，同樣采取“準(zhǔn)靜態(tài)”（0V，0V）態(tài)脈沖測(cè)試結(jié)果作為參考值，測(cè)試中電壓波形示意圖和擬合結(jié)果如圖6所示。隨著漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓增大，柵-漏溝道區(qū)表面耗盡層寬度更大，在等效電路中可以表示為柵-漏之間加入了額外的串聯(lián)電阻，器件動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻增大，其退化會(huì)影響器件的開(kāi)關(guān)速度和關(guān)態(tài)功耗性能。漏極靜態(tài)工作點(diǎn)電壓達(dá)到30V時(shí)，動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻退化量小于50%，對(duì)于柵-漏間距僅為2.6μm的器件來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通電阻的這一退化量是比較小的，這得益于PEALD沉積AlN良好的表面鈍化效果。