基于EMMI定位的GaN_HEMT耐正向可靠性研究_白霖.pdf

第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE基于EMMI定位的GaN HEMT耐正向可靠性研究白霖 林伟杰 林罡 邵国键 任春江 刘柱（南京电子器件研究所，南京，210016）20221008收稿，20221125收改稿摘要：GaN HEMT 器件在高温栅偏压（HTGB）应力下会出现势垒退化现象，并进一步引发器件在射频工作下的不稳定和失效问题。使用微光显微镜（EMMI）作为主要工具，对器件的 HTGB退化问题进行了研究。讨论了不同电偏置条件下器件 EMMI 发光的分布和形成机理，并对比了器件在 HTGB 试验前后 EMMI 发光图像的变化。HTGB后器件在反偏电场下出现明显新增 EMMI亮点，对亮点的微区分析定位到栅下有外延位错对应的局部烧毁点。研究表明，延伸至栅下的外延位错会构成漏电通道，对 HTGB下的退化和失效存在贡献。关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管；微光显微镜；高温栅偏压；外延位错；可靠性中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)01008306Investigation of GaN HEMT Reliability Under Forward Gate Bias by Emission MicroscopeBAI Lin LIN Weijie LIN Gang SHAO Guojian REN Chunjiang LIU Zhu（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing，210016，CHN）Abstract:Barrier degradation occurs in GaN HEMT devices under high temperature gate bias（HTGB）test，and further causes instability and failure problems during RF operation.In this paper，Emission Microscope（EMMI）was used as main tool to study the HTGB degradation of devices.EMMI luminescence distributions and formation mechanisms under varying external electrical bias conditions were discussed，and the EMMI luminescence differences of devices before and after HTGB stress were compared.New obvious EMMI spots under reversed electric field were found in devices after HTGB stress，and local burn point corresponding to the epitaxial dislocation under the gate was located in the bright spot area by micro analysis.This work shows that the epitaxial dislocations extended to gate may form leakage path，which contributes to the degradation and failure in HTGB stress.Key words：GaN HEMT；EMMI；HTGB；epitaxial dislocation；reliability引 言第三代半导体 GaN 材料具有禁带宽度大，耐高温，击穿电压高，电子饱和迁移速度快等显著优点，从而在雷达、航空航天、通信基站等微波领域得到广泛应用12。过去的二三十年间，GaN HEMT 器件的外延生长、工艺技术、结构设计等方面都有了长足的进步，但依然存在诸多可靠性方面的问题，制约着器件进一步走向更大规模商用。其中，高温栅偏压应力（High temperature gate bias）主要考核器件在正向栅流注入情况下肖特基结的稳定性34，对考察器件在射频工作状态下的长期可靠性有重要参考意义，但 HTGB 激发和造成退化的原因和机材料与工艺 基金项目：工信部产业基础再造和制造业高质量发展专项资助项目（CEIEC2020ZM020598）联系作者：E-mail:DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.008固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷理尚不明确，有待进一步研究。本文使用微光显微镜 EMMI（Emission microscope）为主要工具，研究了器件 HTGB 退化的原因。首先简要介绍了使用的器件结构以及试验方法；接着测试了器件在不同电偏置下的 EMMI发光情况，分析发光机理从而确定对比条件，为对比HTGB 前后变化提供依据；然后测试了 HTGB 试验前后器件的 EMMI图像差异，定位到 HTGB后新增的明显亮点；最后对新增亮点进行化学去层、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）等微区分析，定位了栅下烧毁点及对应外延位错情况。1 试验 试验使用的 AlGaN/GaN HEMT器件纵向结构如图1所示。外延结构自下而上依次为SiC衬底、AlN成核层、GaN缓冲层和AlGaN势垒层，在外延表面制作源、漏电极形成欧姆接触，制作T型栅作为肖特基栅电极。为提高器件的击穿特性，引入源场板设计。试验使用的模型管为单根栅，总栅宽 100 m，栅长0.5 m，工作电压为48 V，器件的开启电压为-2.5 V。器件的 EMMI 测试在集成了硅基 CCD 与 InGaAs探测器的电致发光测试系统中进行。测试时将器件放置在暗室中，首先在光照下拍摄器件照片，然后关闭光源，给器件提供外部电偏置使其内部载流子复合发光，并开启探测镜头积分捕捉其发光分布，最终将发光分布图与器件照片进行叠加得到 EMMI图像。器件 HTGB老化条件为 100，Vgs=+4 V，持续 60 min。老化前后使用 Keithley 4200直流测试系统进行势垒特性测试。为确保器件势垒退化为HTGB 引起并排除 EMMI测试中电偏置的影响，在EMMI测试前后均进行势垒特性测试，确认测试前后器件势垒特性稳定。对EMMI亮点的微区分析中，首先使用HF酸溶液去除器件表面的SiN介质钝化层，暴露表面的源漏金属和栅金属，随后使用王水去除金属层，最终使用食人鱼溶液对暴露的外延表面进行清洗。清洗后的样品在 SEM 下沿栅条方向逐步观察定位损伤点，并在损伤点位置进行纵向切片制样和TEM观察。2 结果与分析 2.1 不同电注入下的 EMMI亮点分布因外延生长、器件工艺等成熟度的限制，当前GaN器件普遍存在较高密度的缺陷能级。在外部电注入时，载流子在不同禁带缺陷能级、能带峰谷间跃迁复合发射光子从而形成 EMMI发光图像。为深入分析 HTGB带来的器件变化，首先按照 GaN HEMT器件测试和使用时的加电条件，分别测试和对比器件栅正偏注入、开态、反偏关态这三种不同加电方式下 EMMI的发光分布情况，从而选取适当条件对器件HTGB前后的变化进行表征和对比分析。栅正偏注入条件下对应的 EMMI 发光情况如图 2 所示。测试时将器件源漏短接，栅上加不同正向电压。在正向偏置下，空穴由栅极注入到材料内部，主要引起材料能级间黄带峰的跃迁复合57。如图 2（a）、（b），在电压小于 2.0 V 时，肖特基结正向开图 1 GaN HEMT器件结构示意图Fig.1 Structure diagram of GaN HEMT device图 2 不同栅正偏电压下的 EMMI发光分布：(a)Vg=+1 V;(b)Vg=+2 V;(c)Vg=+2.5 V;(d)Vg=+3 VFig.2 EMMI luminescence distributions under different forward gate bias conditions：(a)Vg=+1 V;(b)Vg=+2 V;(c)Vg=+2.5 V;(d)Vg=+3 V841期白霖等：基于 EMMI定位的 GaN HEMT耐正向可靠性研究启程度较弱注入电流较少，器件 EMMI 发光不明显。而当正向偏压继续加大肖特基结正向完全打开，大量空穴注入到材料内部引起如 Ga 空位、C 缺陷中心等黄带峰能级跃迁，整条栅出现均匀发亮，如图 2（c）、（d）所示。因此，可选取适当正向开启电压，对器件正向注入均匀性进行表征。器件开态条件下的 EMMI 发光情况如图 3 所示。测试时器件源漏间加载 20 V 电压，并调节栅压以控制沟道开启程度。如图 3（a）（c），随着栅压从关态向正向调节，沟道开启更多的载流子注入后经栅漏电场加速形成热电子，在带间卫星谷内形成填充复合89，因此发光程度逐步增强。但在 Vgs进一步开启至 0 V 后，栅漏电场大幅减小，使得发光现象明显减弱甚至消失，如图 3（d）（f）所示。因此，可选取适当半开态栅压，对器件开态条件下的发光均匀性进行表征。器件反偏关态条件下发光图像如图 4 所示。测试时将栅上加载反偏压关断沟道，并调节源、漏偏置观察发光的变化。如图 4（a）、（b），在较低的栅源、栅漏反偏压下，器件无明显发光现象。随着反偏电压提升，高反偏电场下电子可以通过栅极纵向隧穿至沟道区域，后经电场加速获得动能而发生跃迁复合1011。当在如图 4（c）、（d）的高反偏电压下，器件开始出现明显孤立亮点，亮点对应位置可能存在有材料缺陷及不均匀性等，其电子隧穿或复合概率显著高于其他位置。因此，可以选取高反偏电 压，对 器 件 栅 下 的 缺 陷 和 隧 穿 点 进 行 定 位 和表征。2.2 HTGB前后的 EMMI对比变化器件进行 HTGB 老化后激发势垒退化现象，老化前后的肖特基势垒特性测试结果如图 5所示。经历老化后肖特基结漏电大幅增加，且势垒高度明显降低。为分析退化的原因，在不同偏置条件下对老化前后的器件进行 EMMI测试，对比分析前后差异及表现机理。图 3 不同沟道开态条件下的 EMMI发光分布：(a)Vgs=-2 V;(b)Vgs=-1 V;(c)Vgs=0 V;(d)Vgs=+1 V;(e)Vgs=+2 V;(f)Vgs=+2.5 V Fig.3 EMMI luminescence distributions under different channel open conditions:(a)Vgs=-2 V;(b)Vgs=-1 V;(c)Vgs=0 V;(d)Vgs=+1 V;(e)Vgs=+2 V;(f)Vgs=+2.5 V图 4 不同反偏电压下的 EMMI发光分布:(a)Vgs=-10 V,Vds=20 V;(b)Vgs=-10 V,Vds=50 V;(c)Vgs=-40 V,Vd开路;(d)Vgd=-100 V,Vs开路Fig.4 EMMI luminescence distributions under different reverse bias conditions:(a)Vgs=-10 V,Vds=20 V;(b)Vgs=-10 V,Vds=50 V;(c)Vgs=-40 V,Vd=open;(d)Vgd=-100 V,Vs=open85固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷器件在 HTGB 老化前后的正向注入 EMMI 图像如图 6 所示。如图 6（c）、（d）中箭头标注，老化后的器件出现部分微弱的亮点，沿栅条方向存在不均匀性。正向 EMMI 主要由栅注入到材料的空穴复合引起，老化后发光的不均匀性说明栅电流注入效果出现微小差异，但由于正偏压下栅均匀发