硅基氮化镓MISHEMT中的陷阱诱导的阈值电压的不稳定性研究 阈值电压

发布时间:2019-08-01 11:22:46 来源:万物云联网 关键词:阈值电压
阈值电压
原文标题:"硅基氮化镓MISHEMT中的陷阱诱导的阈值电压的不稳定性研究"
原文发布时间:2019-04-02 08:30:01
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阈值电压

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研究结果表明,在Si(111)衬底上生长的商用AlGaN / GaN MISHEMT中的EC-0.90 eV陷阱是造成1.8V阈值电压(VT,threshold voltage)不稳定性的原因,它使用了缺陷光谱和双重光谱。脉冲电流 - 电压测量。 EC- 0.90 eV陷阱位于GaN缓冲器中,并且在夹断时被高漏极偏置清空,这使陷阱高于GaN缓冲器中的费米能级(Fermi level)。该陷阱还表现出快速和慢速恢复过程,这可以通过GaN缓冲液深处的自由电子的可用性和消耗自由电子浓度的捕获过程来解释。 TCAD建模用于演示此过程,也用于说明由于该陷阱导致大的负VT移位后缓冲器漏电流增加没有重要意义的原因。这表明优化缓冲器设计对于理想的器件性能至关重要。

I.介绍

AlGaN / GaN金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管(MISHEMT)已经商业化,但通常需要显著的降额来避免可在高压条件下调制的陷阱的影响。 GaN晶体管可以明显优于现有的Si(硅)技术,Baliga的品质因数(BFOM)证明了这一点,其中GaN的BFOM比Si高25。 BFOM预测GaN可以在更高的电压下工作,同时具有更低的导通电阻(RON)。然而,陷阱仍然会引起严重的问题,包括阈值电压(VT,threshold voltage)不稳定性和动态导通电阻。业界有几个研究小组已经确定了GaN-on-Si MISHEMT中陷阱引起的VT不稳定性。 Meneghini等以及Guo和del Alamo 都报告了由于电偏置引起的阈值电压不稳定性。在第一种情况下,当栅极偏压被调制时,触发了3.2V的VT不稳定性,作者认为这是由介电/ AlGaN界面和/或具有活化能EA(activation energy)~0.37 eV的介质阱引起的。其次,Guo和del Alamo 根据所施加的偏压观察到正和负VT的不稳定性,并且在高压偏压下观察到永久的负VT偏移。作者将这三种行为分别归因于氧化物陷阱(oxide traps),栅极边缘下的GaN沟道陷阱和界面态,但没有识别所涉及的特定陷阱。在本文中,进行了高压脉冲I-V测量以确定陷阱对阈值电压的影响。然后用测试结构上的深度瞬态光谱(DLTS,deep-level transient spectroscopy)和温度依赖性脉冲I-V方案研究负责的特定陷阱。根据Arrhenius图和偏差依赖性,推断出陷阱的位置。为了对这个问题形成自我一致的理解,TCAD建模用于关联陷阱对阈值电压的影响,确定特定的陷阱发射和捕获过程,并将实验与关于晶体管不稳定性的理论预测相协调。

硅基氮化镓MISHEMT中的陷阱诱导的阈值电压的不稳定性研究

图1

图1.(a)AlGaN / GaN MISHEMT的样品结构。 (b)肖特基二极管测试结构,用于体缺陷测量并消除介电层的任何影响。

II.器件结构和处理

本文对商用AlGaN / GaN MISHEMT进行了表征。 这些MISHEMT在Si(111)衬底上生长[图。 1(a)]具有多个场板,以实现600V的操作。 这些器件的最大漏极电流为0.8 A / mm,栅极为0 V.

为了研究陷阱在这些MISHEMT中的物理位置,在与MISHEMT相同的材料上处理但在AlGaN顶部没有介电层的AlGaN / GaN肖特基二极管上进行基于电容的测量。 通过电子束蒸发Ti / Al / Ni / Au形成欧姆接触,通过剥离工艺(lift-off process)形成图案,并在N 2环境中在850℃下接受30秒的快速热退火步骤。 然后,在电子束蒸发80Å的Ni,面积为0.0841 mm^2后,通过剥离工艺确定肖特基二极管。

III.实验过程

A.Pulsed(脉冲) I-V测量

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图2

图2. MISHEMT在(a)零偏置条件下(VGS = 0和VDS = 0)的带状图,当陷阱保持在其正常填充占用率时和(b)HV状态(OFF状态,VDS = 400 V)时 栅极下的陷阱高于准费米能级; 因此,去除效果最大化。 所有能带图都沿着漏极侧栅极边缘的切割线绘制。 (c)脉冲I-V瞬态测量的示意性时序。 MISHEMT在夹断状态下偏置,VDS = 400V持续100ms,然后在IDS =2μA/ mm和VDS = 10V下记录VT达500μs,并且该过程重复直到3小时。

使用双脉冲I-V测量观察到陷阱对MISHEMT终端特征的影响。为了定量研究俘获效应(trapping effects),使用两种不同的脉冲I-V静态条件:零静态条件(VGS,q =0.0V和VDS,q = 0.0 V)和高VDS静态条件(VGS,q 硅基氮化镓MISHEMT中的陷阱诱导的阈值电压的不稳定性研究

其中εAlGaN是AlGaN势垒层的介电常数,d是AlGaN层的厚度。

B.脉冲I-V瞬态测量

为了识别导致阈值电压不稳定的陷阱,MISHEMT在HV(高压) OFF(关断)状态应力条件(VDS = 400 V)下偏置以发射陷阱并导致负VT移位。该HV OFF状态应力条件与脉冲I-V测量中的高VDS静态条件相同,其频带图如图2(b)所示。在HV应力期间,通过每100ms瞬时改变偏压500μs来监测阈值电压,以记录阈值电压的变化[图2(c)]。通过偏置VDS=10V测量阈值电压变化并动态调整栅极电压V GS以维持IDS =μA/ mm,其中当IDS在饱和区域保持恒定时ΔVGS = ΔVT。这种VT测量技术的更多细节可以在相关文献中找到。这种500μs脉冲对整个HV OFF状态应力的影响可以忽略不计,因为它占总应力时间的0.5%以下。还将没有500μs脉冲的测量与这些测量进行比较,以确保瞬态的形状/时间依赖性不受脉冲的影响。

根据瞬态的大小,可以使用(1)估算有效阱浓度。然而,与脉冲I -V测量不同,此处的瞬态有时间信息,因此可以使用等温箱车分析提取陷阱时间常数。在此分析中,速率窗口由两个采样时间t1和t2定义,保持t2 /t1=β,其中β为2.5。时间常数τ是t1和t2 的函数:

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在每个τ处,使用以下等式计算等温信号ΔVT,iso:

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它来自相关文献的推导。这里,负ΔVT,iso峰值表示多数载流子(电子)陷阱,因为电子向导带的发射将增加通道中的片浓度,导致VT的负偏移。当瞬态时间常数与(2)中的τ匹配时,ΔVT,iso最大。通过改变t1并分析瞬态,构造了使用负峰值和测量温度的τ值的Arrhenius图,以分别从斜率和y截距中提取陷阱能量和捕获截面。

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图3

图3.零偏置静态条件(VGS,q = 0和VDS,q = 0 V)和高VDS静态条件(VGS,q

C.恒定电容的深能级瞬态光谱

为了进一步研究MISHEMT中显示的陷阱的物理位置,对与MISHEMT相同的材料制造但没有介电层的肖特基二极管进行了恒定电容DLTS(CC-DLTS,constant-capacitance DLTS)测量。在CC-DLTS测量中,通过动态调整所施加的偏置来保持所需电容,使电容保持恒定,并且负峰值表示多数载流子(电子)陷阱。 相关文献中提供了该方法的更多细节。

四,结果和讨论

A.实验结果

图3显示了脉冲转移I-V结果,其中相对于零偏置条件,观察到高VDS条件下的1.8V 的VT偏移。使用(1),这个1.8V阈值电压偏移对应于估计的~2.5X10^12/cm^2的捕获电荷,因此它与二维电子气(2DEG)密度具有相同的数量级。此外,负VT移位在1秒内恢复到初始VT的70%,并在12小时内恢复85%。首先,这种VT不稳定性的可恢复性质表明这可能是与陷阱相关的过程,其次,在高VDS条件期间的负偏移表明从栅极下方发射被捕获的电子。

同样明显的是,缓冲器泄漏相对于VGS - VT变化非常小。缓冲泄漏实际上是我们器件的一个问题,因为我们将证明VT偏移可能是由于GaN缓冲器中的陷阱而陷阱调制可能会导致缓冲层中的正固定电荷增加,然后可能增加缓冲层泄漏。理解这种机制以及为什么缓冲层泄漏不会增加是很重要的,因为不同的器件设计可能导致显着的缓冲层泄漏,这在实际应用中是非常有害的。动态导通电阻变化小于0.5 oHm* mm,跨导变化小于20 mS / mm。这些小的变化表明在源/漏接入区域存在可忽略的陷阱效应;因此,这里的重点是大的阈值电压的不稳定性。

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图4

图4.(a)通过调节栅极电压记录VT瞬态(标准化),在VDS = 400 V的每100 ms OFF状态HV应力后,在VDS = 10 V时保持2μA/ mm,持续500μs。 在不同的基板温度下记录3小时的瞬变。 结果显示温度依赖性负VT偏移~1.6V,表明热激活阱是造成VT不稳定性的主要原因。 (b)等温箱车分析应用于从(a)获得的VT瞬变,其中负峰值位置给出每个温度的瞬态时间常数。

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图5

图5.来自图4(b)(三角形)的等温数据的Arrhenius图,相同材料上的肖特基二极管(圆圈),以及大量GaN(绿色恒星)[19]和AlGaN(红色恒星)的先前研究 )。 MISHEMT中的EC-0.90 eV陷阱与体GaN缺陷相匹配,表明MISHEMT陷阱可能是GaN缓冲阱。

图4(a)显示了使用图2(c)所示的脉冲I-V瞬态测量方案记录的VT瞬态,其中VT瞬态的幅度为~1.6V。这与从脉冲获得的ΔVT非常接近图3中的I -V测量结果表明脉冲I-V和脉冲I-V瞬态测量之间具有非常好的一致性。然而,瞬态测量的效用使得可以使用等温分析来分析与引起该VT不稳定性的特定陷阱或陷阱相关联的时间常数(发射速率),如图4(b)所示。图4(b)的时间常数和温度数据用于构建图5中的Arrhenius曲线,其中陷阱能量和电子捕获截面可以被提取为EC - 0.90 eV以及分别为~3 X 10^-14/ cm^2。图5还显示了Arrhenius图,其中使用了先前报道的GaN EC - 0.90 eV阱和EC - 0.90 eV AlGaN阱的数据。如图所示,在MISHEMT中观察到的EC - 0.9 eV状态与GaN中的EC - 0.9 eV状态之间存在非常接近的匹配,这与AlGaN中的EC-0.9 eV状态非常不同,因为其明显不同的捕获截面导致该图上的垂直平移。为了进一步确认MISHEMT陷阱的物理位置是在GaN缓冲层中,我们在肖特基二极管上进行CC-DLTS测量,在GaN缓冲层中固定的100nm耗尽深度。这确保了CC-DLTS对GaN缓冲器中的陷阱最敏感,因为GaN中的耗尽区域占金属下方的总耗尽深度的80%以上。图6显示了CC-DLTS结果,并且该测量的相关Arrhenius图在图5中标记为“肖特基”,其中与MISHEMT和先前报道的EC - 0.9eV GaN阱的非常好的一致性是明显的。总之,这些结果证实EC - 0.90 eV陷阱在GaN层中并且还排除了介电层作为其源,因为肖特基二极管样品中不存在介电层。最后一条证据来自MISHEMT脉冲I-V测量本身,因为阈值电压偏移仅在器件被夹断时发生;因为如果没有夹断MISHEMT,则在GaN缓冲器中存在不显着的能带弯曲,因此,不会发生陷阱调制或阈值电压偏移。

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图6

图6.在AlGaN / GaN肖特基二极管上的CC-DLTS测量,由于其在GaN中的大量耗尽,其对GaN层中的陷阱最敏感。 该CC-DLTS显示与MISHEMT相同的EC-0.90 eV陷阱,如图5所示。

B.Silvaco ATLAS TCAD仿真

Silvaco ATLAS TCAD仿真的目的有四个:确定陷阱在高漏极偏置下发射的原因,确定快速和慢速陷阱捕获过程的来源,确定由于缓冲器中的陷阱引起的大的负VT偏移如何导致增加缓冲层泄漏量,并证明建模结果与实验结果之间的一致性。

1)仿真细节:对于仿真,使用Si衬底,C(碳)掺杂的GaN缓冲层,非故意掺杂的GaN缓冲层,AlGaN层和介电层。在器件尺寸之后形成源极,栅极和漏极接触。假设无意掺杂(UID,unintentionally doped)GaN层具有施主掺杂的能量浓度为1 X 10^14/ cm^3,但任何低于1×10 ^15/ cm^3的值最终对仿真模拟结果影响不大。尽管实验结果没有给出陷阱的电荷状态(例如,受体或类似供体),但是仿真模拟可以确定EC - 0.90eV阱的可能电荷状态。如果陷阱是供体状的(即填充时为中性,空载时为正电荷),则移动阈值电压所需的大陷阱浓度会导致高缓冲层泄漏,因为当陷阱为空时缓冲层中的大电荷导致缓冲层中有显着的电子浓度。然而,在受体类陷阱的情况下(即,当填充时带负电并且空载时为中性),陷阱补偿残留的n型掺杂,这意味着有效缓冲掺杂的范围从剩余掺杂到非常补偿的掺杂。这意味着只要剩余掺杂量低,缓冲层泄漏就不会很明显。这种类似受体的行为与图7中所示的结果相匹配,表明类似受体的行为可能是正确的电荷方案。例如,我们不能排除从-2到-1电荷状态或-2到0的类似受体的状态。精确的受体类电荷状态并不重要,因为它们不会显着影响模拟结果。

为了匹配由HV OFF状态应力引起的实验ΔVT,在模拟中使用GaN缓冲层中的EC - 0.90eV陷阱的体积浓度为2×10^17/cm^3。实验和模拟传递I-V曲线之间的良好一致性如图7所示。接下来,模拟陷阱发射和捕获过程以更好地理解其精确机制。

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图7

图7.模拟转移I-V曲线显示没有明显的缓冲层泄漏,并且与图3中的实验数据一致。这表明受体类EC-0.90 eV阱可通过反向栅控引起大VT不稳定但不会导致缓冲层泄漏。

2)陷阱发射过程:为了理解陷阱发射过程,比较了HV OFF状态偏置之前和之后的情况,如图8所示。首先,在零偏置的平衡条件下,EC - 0.90 eV水平主要是填充电子(带负电)固定EC - 0.90 eV的GaN费米能级,得到高度补偿的GaN缓冲层,如图8(a)所示。其次,在HV被移除之后并且在任何陷阱可以响应之前瞬间,模拟的载流子密度如图8(b)所示,其中体积深度的载流子密度变为简单的模拟中使用的残留掺杂,因为HV清空大多数EC -0.90 eV陷阱。

在整个HV应力过程中调制的陷阱的总浓度,直接导致VT不稳定,可以通过减去第二步[图8(b)]从第一步开始[图8(a)]的电离陷阱密度来获得。

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图8

图8.(a)在OFF状态HV应力之前的TCAD模拟能带图显示费米能级固定在EC-0.90eV水平。 在这种状态下,缓冲层得到高度补偿。 显示零偏压下的平衡电离陷阱浓度,其中总陷阱浓度为2×1017cm-3,并且在2DEG区域附近填充更多陷阱,因为陷阱低于该区域中的费米能级。 (b)从OFF状态HV应力切换后瞬间模拟的带状图,其中没有陷阱被重新填充。 在这种情况下,缓冲区中的载流子浓度等于UID GaN背景掺杂,但缓冲区中的积分自由电子浓度仍比2DEG浓度低约200倍; 因此,该过程不会显着增加缓冲器漏电流。

该调制陷阱浓度定义为ΔnT,ΔnT的积分为2×10^12/cm^2,与图3中VT不稳定性提取的2.5X10^12/cm^2的实验板捕集浓度非常匹配。这种一致性验证了模拟假设体积浓度为2X 10^17/ cm^3的陷阱,表明模拟中的物理器件俘获行为与实验解释一致,并支持这样的假设:VT不稳定性是由GaN中的EC - 0.90 eV陷阱引起的。为了讨论缓冲层泄漏,重要的是观察图8(a)和(b)的情况之间整个GaN缓冲层中自由电子浓度的增加。图8(b)具有最高的正固定电荷,其中陷阱是空的,自由载流子密度是假设的背景载流子密度。模拟的I-V曲线如图7所示,其中很明显在HV应力之后没有增强的缓冲层泄漏的迹象。这是因为假设的背景n型载流子密度是1×10^14/cm^3。只要背景n型载流子浓度小于~1×10 ^15/ cm ^3,缓冲层泄漏几乎没有变化,因为积分缓冲电荷<2DEG密度的1/300。

3)陷阱捕获过程:陷阱的捕获过程通常非常快(ps - ns范围);然而,在这个MISHEMT中,VT在1秒内恢复了1.3 V(70%),但是再花费12小时恢复到1.5 V(85%)。要理解这个过程,有必要了解陷阱捕获率(dnT / dt),由文献给出:

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其中σn是电子捕获截面,vth是电子热速度,n是自由载流子浓度,NT是总陷阱浓度,nT是填充的陷阱浓度;方程(4)中的变量n,NT和nT以单位体积浓度定义,并且都具有cm^-3的单位。

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图9

图9.(a)捕获过程的第一部分:t = 0+ [图8(b)的情况,实线]到t = 30 ps(虚线),其中填充的陷阱浓度为蓝色和载体 浓度是红色的。 由于在t = 0+处可用的自由电子,载流子密度在缓冲器中快速减少以填充大部分EC-0.90eV陷阱。 被捕获的电子导致t = 30 ps时自由电子浓度的大幅度降低,这反过来导致超过30 ps的非常低的电子捕获率。 (b)从t = 30 ps(虚线)到无穷大(虚线)的捕获过程,其中阴影区域(绿色阴影线)表示由于低载流子浓度(红色)而需要很长时间再填充的剩余陷阱。 在这种情况下,阴影区域提供剩余的-0.6 V VT偏移,并且由于陷阱填充,2DEG随着时间的增加而略微变窄。

要了解捕获过程,首先需要了解问题。在捕获开始时(VT在偏置从高电压关闭状态切换到零偏置(t= 0+)之后立即进行恢复处理,图9(a)显示n等于或高于背景掺杂(1 X10^14 cm^-3)以及nT很小。因此,GaN缓冲器中的捕获率dnT / dt最初非常大,这通过检查确定,并且通过在MATLAB中更严格地求解(4)。在这种情况下,(4)的快速捕获时间常数约为σn*νth*NT,为6ps。这也与MATLAB计算的结果一致。在前30 ps(5个时间常数)期间,捕获自由载流子,导致自由电子浓度降低。在30ps之后,基本上捕获远离2DEG的所有自由载流子,并且自由电子浓度和陷阱占据由图9(a)中的虚线给出。通过这30 ps,70%的调制陷阱被重新填充,这对应于1.2V的阈值电压恢复,并且捕获电子的唯一剩余陷阱如图9(b)中的阴影区域所示。 ps(蓝色虚线)和t无穷大(蓝色虚线)情况。在30ps之后,剩余空陷阱的陷阱捕获率非常小,因为nT接近NT并且n非常小,如图9(b)所示。 30 ps后的小捕获率导致非常长的时间常数,这将需要数天或数周才能完全恢复。模拟慢速VT恢复过程的幅度为0.6 V.

最后,将模拟的VT恢复与实验数据进行比较。 t =0+的仿真模拟ΔVT为1.8 V,

然后在30 ps后恢复到0.6 V,这表明1.2 V快速的VT恢复。在该过程的缓慢部分恢复剩余的0.6V VT偏移。模拟结果与实验1.3V快速恢复和0.5V慢恢复一致,如表I所示,表明实验和提出的捕获过程之间的良好一致性。

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表1

表I实验陷阱诱发VT恢复与仿真模拟的比较

V.结论

在工业提供的高压GaN MISHEMT中,1.8V VT不稳定性与GaN中的EC - 0.90eV陷阱相关,其有效地反向栅控2DEG。通过多次实验确定阱缓冲层在GaN缓冲层中的位置,包括在相同材料上的AlGaN / GaN肖特基二极管上的缺陷光谱,并且还观察夹断和半导通条件之间的差异。

建立TCAD模型以证明在实验中看到的行为,以验证高压应力中的陷阱发射过程,零偏置的两步捕获过程,并定量将陷阱占用率与1.8V VT不稳定性联系起来,而不引入显着的缓冲泄漏。两步捕获过程包括在前30 ps中快速VT漂移恢复70%,剩余30%恢复得慢得多。快速恢复是由于在HV应力之后立即自由载流子的初始浓度和可用的陷阱状态,但是由于在快速恢复期间由于电子捕获而可用的自由载流子减少,因此该恢复过程减慢。该模型还表明,即使所有陷阱都是空的并且缓冲层中的自由电子浓度最高,缓冲层泄漏也不会显着增加,因为与2DEG相比其电子浓度相对较低。因此,MISHEMT的TCAD模型在GaN中具有EC - 0.90 eV陷阱,与实验VT不稳定性完全一致。这些结果表明,降低GaN中的EC - 0.90 eV陷阱对于降低VT不稳定性和改善GaN功率晶体管的应用范围是必要的。

(完)

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正文完,原文标题:"硅基氮化镓MISHEMT中的陷阱诱导的阈值电压的不稳定性研究"
原文发布时间:2019-04-02 08:30:01
原文作者:万物云联网。

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