技术文章 - 正文
多应力条件下GaN功率器件的可靠性测试及其退化机理研究 2022-03-24 14:52
参考文献：李善杰，多应力条件下GaN功率器件的可靠性测试及其退化机理研究【D】，湘潭大学，2020
（转载请注明出处及作者）
近年来，GaN基高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)器件由于其高频高功率，开关速度快等优异性能在功率器件，微波器件等领域表现出巨大的应用潜力。而GaN基肖特基二极管得益于GaN材料的优异特性也成为功率器件的研究热门。GaN功率器件的可靠性测试及失效机理分析对其推广应用有着十分重要的意义。近年来，GaN功率器件的可靠性研究一直是相关领域的研究热点。虽然在高温高场方面进行了较多的研究，但多应力条件(热，电)下器件的可靠性依然是困扰研究人员的一个技术大难题。湘潭大学李善杰的硕士毕业论文针对目前GaN功率器件中较为成熟的三类器件，包括：GaN MIS-HEMT (Metal-Insulator-Semiconductor HEMT)、p型栅(p-GaN gate) HEMT 以及GaN基肖特基二极管(SBD)，开展包括偏压应力，温度应力等应力条件在内的可靠性研究，对器件在多应力条件下的退化行为及其机制进行了全面的研究和系统的分析。
GaN功率器件发展应用现状及其可靠性
高频、高效率、高耐压等特性使得GaN器件在很多领域有广泛的潜在应用，GaN功率器件的研发也得到了美日等科技大国的高度重视。GaN功率器件相较于传统的Si MOSFET，在理论上有至少10倍于Si器件的开关速度，在一些高频领域具备很好的性能优势如：GaN功率器件可以消除整流器在进行交直流转换时90%的能量损失，还可以使笔记本电源适配器体积缩小80%。与硅基超结MOSFET器件相比，GaN器件在硬开关状态下的优势并不明显，但是，其在软开关状态下的性能得到了明显改善。究其原因在于GaN器件的开关延时很短，导通损耗和开关损耗低，工作频率高。主要在低压（0-400V）、高频应用，以及一些要求高效率或者小型化的领域，具备优势，如ITC电源，笔记本电脑适配器，以及高频应用，如激光雷达驱动，高频无线充电，包络跟踪等。图1.1所示为GaN功率电子器件在相应电压、电流范围下的市场应用领域。目前GaN功率器件的商业化主要还是集中在额定电压200V 的低压DC-DC转换器，但随着600V GaN功率器件的商业化，它在电源功率等领域也将快速发展，而在中高耐压领域，GaN器件凭借电动汽车的电机驱动也会占据很大的市场份额。图1.2介绍了几款各公司的器件产品以及应用领域。
GaN功率器件在商业应用领域逐渐渗透，其主流的工艺结构有两种：GaN功率整流器(二极管)和GaN HEMT。随着其产业应用逐渐广泛，其可靠性方面的问题也逐渐凸显出来，在1.2.1,1.2.2以及1.2.3中将介绍GaN两种主流工艺的发展历程及其可靠性问题。
论文的主要研究内容有以下几个方面：
(1)研究了常开型GaN MIS-HEMT器件在不同工作状态下器件退化的时间依赖性，其中器件的工作状态通过设置不同的栅漏偏压条件来控制。对器件三种不同工作状态下(关态，半开态，开态)的阈值电压 Vth，跨导 gm，饱和漏电流 Idsat进行实时监控，分析偏压应力对器件性能的作用规律，解释了器件不同工作状态下的退化机制。当器件处于关态时,受高负栅偏置的影响，器件阈值电压负飘的主要机制是栅介电层的电荷俘获。当器件处于半开态时，热电子效应是器件退化的主要机制，高能热电子的注入将导致器件阈值电压发生不可恢复的负飘以及饱和漏电流的下降。当器件处于全开态时，阈值电压几乎不变化而饱和漏电流由于器件自热效应急剧下降。
(2)对p型栅 AlGaN/GaN HEMT器件进行高温反偏(HTRB)以及负栅偏压温度不稳定性(NBTI)研究。通过对器件长程应力实验过程中阈值电压以及导通电阻的实时监控，结合实验前后电学性能的变化，分析反偏应力以及温度对器件的作用机制。研究结果表明，高的反偏应力能引起 p-GaN 层的空穴发射，且导致虚栅效应的产生，最终导致阈值电压的正向飘移和导通电阻的退化。而负栅偏置能导致 AlGaN 层及其表面的电荷俘获，导致阈值电压负飘。实验还表明温度升高能加速 AlGaN 层及其表面的电荷俘获过程。
(3)制备了垂直结构的GaN基肖特基二极管(SBD on GaN)，并对GaN基肖特基二极管的高温下性能可靠性进行了研究。在温度梯度下对SBD的电学特性进行测试，分析了器件性能的温度依赖性以及器件高温下的反向漏电机理。结合AFM以及c-AFM(导电原子力显微镜)对表面形貌以及表面电荷分布的表征，证明了器件在高温环境下会有更多的缺陷被激活从而形成漏电通道导致器件反向漏电流增大。
以下问论文节选：
随着器件结构以及制备工艺的不断完善，Ga N 基功率器件正逐步实现从实验室向工业商业界发展，部分器件已成为功率器件市场的有力竞争者。但器件的可靠性仍然是GaN 研究人员急需解决的问题，因为目前限制 GaN 基功率器件发展的并非其性能而是其在应用环境的可靠性与稳定性。虽然近年来对器件可靠性的报道越来越多，但仍不能满足器件大规模走向工业发展的需要。
影响 GaN 基器件可靠性的原因很多且非常复杂，一方面，GaN及其异质结材料的性能会严重影响器件的可靠性。另一方面，器件的结构，制备工艺等都对器件性能有较大影响。因此，目前对于GaN 基功率器件的可靠性研究并没有突破性的进展，甚至对于一些基本的失效机制都众说纷纭。目前，对于GaN 功率器件的可靠性研究大致包括以下几个方面：
1.电流崩塌效应。电流崩塌效应是 AlGaN/GaN HEMT 功率器件大规模商业化的一个巨大难题，同时也是所有 GaN 功率器件所面临的共同挑战之一。目前报道的有关电流崩塌效应的主要机制有如下三种：(i)GaN 材料或者基底材料的深能级缺陷俘获电子造成了 GaN 器件的电流崩塌。(ii)材料界面态或者材料表面效应引起电荷极化耗尽二维电子气导致电流崩塌。(iii)材料结构与能带结构临界化导致器件性能稳定性差，导致电流崩塌。而目前，表面钝化，添加场板结构，材料掺杂为三种主要的抑制电流崩塌的方法。2011 年，美国 HRL 公司使用三场板结构结合 PECVD 法沉积的 SiNx钝化层，成功制备低导通电阻，高击穿电压的 AlGaN/GaN HEMT 功率器件。在单次开关时间为 5us 的情况下，350V 时动态导通电阻仅为静态导通电阻的 1.2 倍，650V 时仅为 1.6 倍。2012 年，S. Huang 等人利用 ALD 技术沉积 AlN 作为介质层来钝化 AlGaN/GaN HEMT 器件。ALD技术可以精确控制介质层厚度且 AlN 与 GaN 材料氧原子含量低能最大限度减少氧空位的存在，从而使得器件性能更加稳定。且 AlN 层的禁带宽度比常规钝化材料 SiNx禁带宽度更高，使得能更好的抑制电子被栅漏区域的界面态俘获，减弱虚栅效应。虽然这些技术在一定程度上抑制了器件的电流崩塌，但事实上，国内外现在并没有完全解决器件电流崩塌问题的方法。特别是当器件处于高漏偏压时，其导通电阻的退化尤其严重，因此更清楚的阐明电流崩塌的机制，探究解决电流崩塌机制的方法是学术界乃至产业界急需解决问题的方法。
2. 栅泄漏电流与表面状态。AlGaN/GaN HEMT 功率器件的许多退化/失效机制都与栅极泄漏电流的大小有关，有研究发现局部区域的高电场(一般在靠近漏极的栅极边缘)会导致栅极区域的电子隧穿，这些隧穿的电子会与沟道产生的高能热电子一起在栅漏区域的表面聚集。这些电子会在表面形成虚栅，导致虚栅效应，也会通过“陷阱-陷阱”机制从栅极跳跃至漏极，从而形成较大的表面泄漏电流。如果栅极金属处于高偏置，栅端的高电场会驱使电子注入 AlGaN/GaN 异质结，也就是注入二维电子沟道，形成栅极泄漏电流。目前主流的抑制栅漏电机制的方法是引入栅介质层，减少栅极漏电流。2011年，IR 公司设计制备的 600V rating AlGaN/GaN HEMT 功率晶体管在 600V 以下关态漏电流低于 1 pA/mm，且漏极漏电流也不到 1 uA/mm。这种技术制备的晶体管不仅栅泄漏电流得到抑制，电流崩塌效应也得到了明显缓解。
3. 栅极金属退化与材料质量。金属-半导体扩散，金属相变，电迁移等问题都称为栅极金属退化。对于在 GaN 功率器件中广泛使用的肖特基接触来说，高温下的金属-半导体扩散就会极大的影响其可靠性。在 200℃左右，Pt-Au 金属就容易发生相互扩散，且有研究表明，日前广泛使用的 Ni/Au 肖特基接触，Ni 金属与 AlGaN 产生的硅化物会降低肖特基结的接触势垒，产生较大的栅极泄漏电流，严重影响器件的可靠性。硅化物的存在也会增加栅极泄漏电流通道，使电流局部集中，加速栅极的退化，导致栅极的突然击穿，严重影响电路安全。而半导体材料的质量更是直接决定了半导体器件的性能与可靠性。衬底材料与 Ga N 材料的晶格失配，热失配等会严重影响 GaN 外延层的质量。而 GaN 材料的位错，缺陷等问题会严重降低器件的可靠性。一般认为，异质结势垒层和缓冲层的以及各层表面的缺陷，位错，陷阱，粗糙度等都会导致器件的各种可靠性问题如阈值电压飘移，电流崩塌，泄漏电流增大等等。
4. 高电场高温下的热电子效应。近年来，热电子效应被认为是导致器件失效/退化的主要原因之一，对于 GaN HEMT 功率器件来说，在高电场与高电流的条件下，沟道载流子能轻易获得很高的能量变成高能热电子，而高能热电子也能通过散射作用将能量传递给其他沟道载流子与材料的晶格，且热电子间的碰撞电离作用会加剧热电子效应。一般在半导体器件中，高的偏压尤其是高漏偏压会导致热电子效应。高能热电子会轰击势垒层甚至注入到金属-半导体界面，表面以及钝化层。高能热电子不仅能被材料中原有的陷阱俘获，还会轰击材料产生新的缺陷，造成器件性能很大程度的退化甚至失效，严重影响器件乃至电路的可靠性。
湘潭大学李善杰的论文以三种 GaN 基功率器件(AlGaN/GaN MIS-HEMT、AlGaN/GaN p-typ gate HEMT 以及垂直结构的 Ga N SBD )的可靠性研究为切入点，针对 AlGaN/GaN MIS-HEMT器件在不同工作状态下的阈值电压不稳定性问题，AlGaN/GaN p-typ gate HEMT 器件在HTRB 应力以及 NBTI 应力下的阈值电压 Vth和导通电阻 Ron的退化问题，垂直结构 GaN SBD 的制备以及高温可靠性问题，利用电学测试实验方案结合光发射，低频噪声(LFN)，原子力显微镜(AFM)等器件性能表征手段对 Ga N 基功率器件的多应力条件下的可靠性进行全面系统的研究并探究了其在不同应力实验条件下的退化机理。
（转载请注明出处及作者）
近年来，GaN基高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)器件由于其高频高功率，开关速度快等优异性能在功率器件，微波器件等领域表现出巨大的应用潜力。而GaN基肖特基二极管得益于GaN材料的优异特性也成为功率器件的研究热门。GaN功率器件的可靠性测试及失效机理分析对其推广应用有着十分重要的意义。近年来，GaN功率器件的可靠性研究一直是相关领域的研究热点。虽然在高温高场方面进行了较多的研究，但多应力条件(热，电)下器件的可靠性依然是困扰研究人员的一个技术大难题。湘潭大学李善杰的硕士毕业论文针对目前GaN功率器件中较为成熟的三类器件，包括：GaN MIS-HEMT (Metal-Insulator-Semiconductor HEMT)、p型栅(p-GaN gate) HEMT 以及GaN基肖特基二极管(SBD)，开展包括偏压应力，温度应力等应力条件在内的可靠性研究，对器件在多应力条件下的退化行为及其机制进行了全面的研究和系统的分析。
GaN功率器件发展应用现状及其可靠性
论文的主要研究内容有以下几个方面：
(1)研究了常开型GaN MIS-HEMT器件在不同工作状态下器件退化的时间依赖性，其中器件的工作状态通过设置不同的栅漏偏压条件来控制。对器件三种不同工作状态下(关态，半开态，开态)的阈值电压 Vth，跨导 gm，饱和漏电流 Idsat进行实时监控，分析偏压应力对器件性能的作用规律，解释了器件不同工作状态下的退化机制。当器件处于关态时,受高负栅偏置的影响，器件阈值电压负飘的主要机制是栅介电层的电荷俘获。当器件处于半开态时，热电子效应是器件退化的主要机制，高能热电子的注入将导致器件阈值电压发生不可恢复的负飘以及饱和漏电流的下降。当器件处于全开态时，阈值电压几乎不变化而饱和漏电流由于器件自热效应急剧下降。
(2)对p型栅 AlGaN/GaN HEMT器件进行高温反偏(HTRB)以及负栅偏压温度不稳定性(NBTI)研究。通过对器件长程应力实验过程中阈值电压以及导通电阻的实时监控，结合实验前后电学性能的变化，分析反偏应力以及温度对器件的作用机制。研究结果表明，高的反偏应力能引起 p-GaN 层的空穴发射，且导致虚栅效应的产生，最终导致阈值电压的正向飘移和导通电阻的退化。而负栅偏置能导致 AlGaN 层及其表面的电荷俘获，导致阈值电压负飘。实验还表明温度升高能加速 AlGaN 层及其表面的电荷俘获过程。
(3)制备了垂直结构的GaN基肖特基二极管(SBD on GaN)，并对GaN基肖特基二极管的高温下性能可靠性进行了研究。在温度梯度下对SBD的电学特性进行测试，分析了器件性能的温度依赖性以及器件高温下的反向漏电机理。结合AFM以及c-AFM(导电原子力显微镜)对表面形貌以及表面电荷分布的表征，证明了器件在高温环境下会有更多的缺陷被激活从而形成漏电通道导致器件反向漏电流增大。
以下问论文节选：
随着器件结构以及制备工艺的不断完善，Ga N 基功率器件正逐步实现从实验室向工业商业界发展，部分器件已成为功率器件市场的有力竞争者。但器件的可靠性仍然是GaN 研究人员急需解决的问题，因为目前限制 GaN 基功率器件发展的并非其性能而是其在应用环境的可靠性与稳定性。虽然近年来对器件可靠性的报道越来越多，但仍不能满足器件大规模走向工业发展的需要。
影响 GaN 基器件可靠性的原因很多且非常复杂，一方面，GaN及其异质结材料的性能会严重影响器件的可靠性。另一方面，器件的结构，制备工艺等都对器件性能有较大影响。因此，目前对于GaN 基功率器件的可靠性研究并没有突破性的进展，甚至对于一些基本的失效机制都众说纷纭。目前，对于GaN 功率器件的可靠性研究大致包括以下几个方面：
1.电流崩塌效应。电流崩塌效应是 AlGaN/GaN HEMT 功率器件大规模商业化的一个巨大难题，同时也是所有 GaN 功率器件所面临的共同挑战之一。目前报道的有关电流崩塌效应的主要机制有如下三种：(i)GaN 材料或者基底材料的深能级缺陷俘获电子造成了 GaN 器件的电流崩塌。(ii)材料界面态或者材料表面效应引起电荷极化耗尽二维电子气导致电流崩塌。(iii)材料结构与能带结构临界化导致器件性能稳定性差，导致电流崩塌。而目前，表面钝化，添加场板结构，材料掺杂为三种主要的抑制电流崩塌的方法。2011 年，美国 HRL 公司使用三场板结构结合 PECVD 法沉积的 SiNx钝化层，成功制备低导通电阻，高击穿电压的 AlGaN/GaN HEMT 功率器件。在单次开关时间为 5us 的情况下，350V 时动态导通电阻仅为静态导通电阻的 1.2 倍，650V 时仅为 1.6 倍。2012 年，S. Huang 等人利用 ALD 技术沉积 AlN 作为介质层来钝化 AlGaN/GaN HEMT 器件。ALD技术可以精确控制介质层厚度且 AlN 与 GaN 材料氧原子含量低能最大限度减少氧空位的存在，从而使得器件性能更加稳定。且 AlN 层的禁带宽度比常规钝化材料 SiNx禁带宽度更高，使得能更好的抑制电子被栅漏区域的界面态俘获，减弱虚栅效应。虽然这些技术在一定程度上抑制了器件的电流崩塌，但事实上，国内外现在并没有完全解决器件电流崩塌问题的方法。特别是当器件处于高漏偏压时，其导通电阻的退化尤其严重，因此更清楚的阐明电流崩塌的机制，探究解决电流崩塌机制的方法是学术界乃至产业界急需解决问题的方法。
2. 栅泄漏电流与表面状态。AlGaN/GaN HEMT 功率器件的许多退化/失效机制都与栅极泄漏电流的大小有关，有研究发现局部区域的高电场(一般在靠近漏极的栅极边缘)会导致栅极区域的电子隧穿，这些隧穿的电子会与沟道产生的高能热电子一起在栅漏区域的表面聚集。这些电子会在表面形成虚栅，导致虚栅效应，也会通过“陷阱-陷阱”机制从栅极跳跃至漏极，从而形成较大的表面泄漏电流。如果栅极金属处于高偏置，栅端的高电场会驱使电子注入 AlGaN/GaN 异质结，也就是注入二维电子沟道，形成栅极泄漏电流。目前主流的抑制栅漏电机制的方法是引入栅介质层，减少栅极漏电流。2011年，IR 公司设计制备的 600V rating AlGaN/GaN HEMT 功率晶体管在 600V 以下关态漏电流低于 1 pA/mm，且漏极漏电流也不到 1 uA/mm。这种技术制备的晶体管不仅栅泄漏电流得到抑制，电流崩塌效应也得到了明显缓解。
3. 栅极金属退化与材料质量。金属-半导体扩散，金属相变，电迁移等问题都称为栅极金属退化。对于在 GaN 功率器件中广泛使用的肖特基接触来说，高温下的金属-半导体扩散就会极大的影响其可靠性。在 200℃左右，Pt-Au 金属就容易发生相互扩散，且有研究表明，日前广泛使用的 Ni/Au 肖特基接触，Ni 金属与 AlGaN 产生的硅化物会降低肖特基结的接触势垒，产生较大的栅极泄漏电流，严重影响器件的可靠性。硅化物的存在也会增加栅极泄漏电流通道，使电流局部集中，加速栅极的退化，导致栅极的突然击穿，严重影响电路安全。而半导体材料的质量更是直接决定了半导体器件的性能与可靠性。衬底材料与 Ga N 材料的晶格失配，热失配等会严重影响 GaN 外延层的质量。而 GaN 材料的位错，缺陷等问题会严重降低器件的可靠性。一般认为，异质结势垒层和缓冲层的以及各层表面的缺陷，位错，陷阱，粗糙度等都会导致器件的各种可靠性问题如阈值电压飘移，电流崩塌，泄漏电流增大等等。
4. 高电场高温下的热电子效应。近年来，热电子效应被认为是导致器件失效/退化的主要原因之一，对于 GaN HEMT 功率器件来说，在高电场与高电流的条件下，沟道载流子能轻易获得很高的能量变成高能热电子，而高能热电子也能通过散射作用将能量传递给其他沟道载流子与材料的晶格，且热电子间的碰撞电离作用会加剧热电子效应。一般在半导体器件中，高的偏压尤其是高漏偏压会导致热电子效应。高能热电子会轰击势垒层甚至注入到金属-半导体界面，表面以及钝化层。高能热电子不仅能被材料中原有的陷阱俘获，还会轰击材料产生新的缺陷，造成器件性能很大程度的退化甚至失效，严重影响器件乃至电路的可靠性。
湘潭大学李善杰的论文以三种 GaN 基功率器件(AlGaN/GaN MIS-HEMT、AlGaN/GaN p-typ gate HEMT 以及垂直结构的 Ga N SBD )的可靠性研究为切入点，针对 AlGaN/GaN MIS-HEMT器件在不同工作状态下的阈值电压不稳定性问题，AlGaN/GaN p-typ gate HEMT 器件在HTRB 应力以及 NBTI 应力下的阈值电压 Vth和导通电阻 Ron的退化问题，垂直结构 GaN SBD 的制备以及高温可靠性问题，利用电学测试实验方案结合光发射，低频噪声(LFN)，原子力显微镜(AFM)等器件性能表征手段对 Ga N 基功率器件的多应力条件下的可靠性进行全面系统的研究并探究了其在不同应力实验条件下的退化机理。
