【IEDM2023】GaN HEMT导通态击穿机制

Yu H, Fang J, Vermeersch B, et al. Charge Movement in Back Barrier Induced Time-Dependent On-State Breakdown of GaN HEMT[C]//2023 International Electron Devices Meeting (IEDM). IEEE, 2023: 1-4.

研究背景：

• GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）在功率和5G射频应用中的吸引力，主要归功于其高电压耐受性和优秀的传输特性。
• GaN HEMT的安全工作区域（SOA）的复杂性，这对于射频开关和功率放大器的设计和应用至关重要。
• SOA需要在不同的工作状态下，包括导通态、半导通态和关断态，保证器件的动态稳健性。
• GaN HEMT在导通状态下时间依赖性击穿现象的击穿时间跨度从亚微秒到数百秒，表明其不仅与短暂的事件（如静电放电）相关，也与长期的退化过程有关。
• 文章旨在阐明这一时间依赖性击穿现象的物理机制，并通过技术计算机辅助设计（TCAD）模型成功预测了这一过程。

实验细节

材料生长条件:

• III-N堆叠结构是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在高电阻的200毫米硅（Si）衬底上生长的。使用这种方法，首先在硅衬底上生长了一个AlxGa1.xN超晶格缓冲层，接着是一个掺杂有碳（C）的C-GaN背势垒层（BB），其掺杂浓度为1微米范围内的6x10^19 cm^-3。

器件结构:

• 在C-GaN背栅上，依次生长了本征GaN（i-GaN）通道和顶部屏障。本征GaN的厚度介于50到300纳米之间。顶部屏障可以是AlxGa1.xN（x=0.25-0.35）、In0.1AlxGa0.9N或“AlN”（这里的“AlN”指的是由于高温MOCVD过程中镓的掺入而形成的富铝AlGaN）。
• 为了提高2DEG（二维电子气）的迁移率，大多数AlGaN和InAlN顶部屏障样品在i-GaN和顶部屏障之间生长了一个1或2纳米的“AlN”中间层。
• 除了上述结构，还有一个样品在GaN通道和C-GaN背栅之间增加了一个额外的100纳米本征AlxGa1-xN背栅（BB）。

器件制造:

• 在所有晶片上制作了传输线方法（TLMs）。
• 制作了MIS HEMTs（金属-绝缘体-半导体HEMTs）的晶片，其结构为5纳米SiN/15纳米AlGaN/1纳米“AlN”/50纳米i-GaN通道；SiN是在AlGaN上通过MOCVD原位生长的，具有低界面态密度。
• 制作了HEMTs的晶片，其结构为5纳米SiN/10纳米AlGaN/1纳米“AlN”/300纳米i-GaN通道。器件的源/漏接触是通过565°C的低温工艺制造的，具有低接触电阻（Re）0.1-0.2 Ω·mm。

测量设备:

• 使用Keithley 4255-PMU和Keysight B1500分别进行了脉冲和直流电流-电压（PIV和DCIV）测量。

时间相关硬击穿

• 使用传输线模型（TLMs）和高电子迁移率晶体管（HEMTs）来研究导通状态下的击穿现象。
• 通过PIV（脉冲电流-电压）扫描和DCIV（直流电流-电压）扫描测量了击穿电压（Vbd），并观察到击穿电压随着TLM间距的增加而增加。
• 实验发现，击穿电压Vbd和有效横向电场（F）在不同测量持续时间下有所变化，表明击穿过程与电场相关的动态效应有关。
• 观察到，无论是TLMs还是HEMTs，其击穿电压Vbd都会随着测量时间的延长而变化，显示出明显的时间依赖性。
• 这种时间依赖性表明，在GaN HEMT的导通状态下，存在一个与时间相关的物理过程，这可能与器件内部的电荷运动或其他动态效应相关。

背势垒中的电荷运动

在论文中，C-GaN背势垒层（Back Barrier, BB）中的电荷运动是导致GaN HEMT导通态击穿的关键因素之一。

电荷运动的起因:

• C-GaN背势垒层中的碳（C）掺杂形成深受主，这些受主在电场作用下会电离，产生负电荷。
• 这些负电荷在C-GaN层中形成了一个背势垒，对二维电子气（2DEG）产生影响。

电荷运动的动态过程:

• 在恒定的应力电压下，TLM电流受到自加热（Self-heating, SH）和捕获效应的影响。
• 通过传输线方法（TLM）的动态电阻测量，反映了背势垒层中电荷捕获的效果。
• 电荷运动与时间常数Tss1相关，这一时间常数在不同的TLMs中是不变的，因为它是由共同的横向电场Fx引起的电荷运动。

电荷运动的影响:

• 电荷运动不仅影响器件的导电性能，还会导致局部电场的增强，进而影响器件的稳定性和可靠性。
• 电荷在C-GaN中的运动受到横向电场Fx和温度Tj的强烈影响，这两者共同加速了电荷的运动。

电荷运动与击穿现象的关联:

• 电荷运动在C-GaN背势垒层中的行为与导通态击穿的时间依赖性密切相关。
• 当Tss1接近脉冲宽度时，TLMs会发生击穿，这意味着在C-GaN中发生了显著的电荷运动之后，器件才会发生击穿。

总结:

• C-GaN背势垒层中的电荷运动是由多种因素共同作用的结果，包括电场、温度和掺杂浓度。
• 这种电荷运动对GaN HEMT的导通态击穿具有重要影响，是导致时间依赖性击穿现象的关键物理过程之一。
• 通过理解和控制C-GaN背势垒层中的电荷运动，可以改进GaN HEMT的设计，提高其在高电压和高功率应用中的性能和可靠性。

• 作者提出，导通状态下的击穿是由背势垒（BB）中的电荷运动、漏极-角区电场密集化、冲击电离和雪崩击穿等一系列过程引起的。
• 这些过程是依次发生的，从电荷在BB中的运动开始，最终导致器件的硬击穿。