【氮化镓】GaN器件中关态应力诱导的损伤定位

概括总结：

这项研究通过低频1/f噪声测量方法，探究了在关态（OFF-state）应力作用下，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）中由应力引起的损伤的定位。研究中结合了电致发光（EL）分析，以更准确地确定损伤的位置和性质。研究发现，除了栅极边缘击穿之外，随着时间的推移，还会在栅极下方以及可能扩展到栅极-漏极区域的高电场区域逐渐产生捕获态。1/f噪声行为表明，除了与栅极边缘击穿有关的缺陷外，应力诱导的缺陷产生也发生在AlGaN势垒中。这些缺陷主要位于栅极下方，但延伸到高场栅极-漏极区域，可能与场极板边缘有关。

研究背景：

技术需求和应用领域：随着射频、工业和汽车等领域对高功率和高电压应用的需求不断增长，对能够提供高迁移率和高击穿电压的半导体器件的需求也在增加。AlGaN/GaN HEMTs因其在这些领域的潜在应用价值而受到关注。
器件性能的挑战：尽管AlGaN/GaN HEMTs具有许多优点，但它们在实际应用中仍然面临一些挑战。这些挑战包括电荷捕获、材料缺陷、电流崩溃和栅极退化等问题，这些问题可能导致器件性能下降和可靠性降低。
栅极击穿问题：在AlGaN/GaN HEMTs中，栅极击穿是一个关键问题，它限制了器件在高操作电压下的长期可靠性。为了解决这个问题，研究人员引入了场板和设计了工程化的栅极形状，这些措施在一定程度上缓解了电流崩溃问题并减少了栅极击穿的发生。
电致发光（EL）研究：尽管采取了上述措施，EL研究仍然显示，在更严苛的应力条件下，器件的漏极侧栅极边缘附近会出现与退化相关的热点。这表明，尽管有所改进，但器件的可靠性问题仍然存在，需要进一步的研究来解决。
低频1/f噪声测量的重要性：低频1/f噪声测量被证明是研究AlGaN/GaN HEMTs可靠性的有用工具。早期的研究表明，由于本征缺陷密度较大，GaN HEMTs的噪声水平高于AlGaAs/GaAs器件。此外，随着材料的改进和表面及障碍缺陷的减少，AlGaN/GaN HEMTs的噪声性能得到了改善。
研究的动机：鉴于上述背景，本研究的动机是通过低频1/f噪声测量来研究关闭状态应力下AlGaN/GaN HEMTs的损伤局部化问题。这项研究旨在更好地理解在高应力条件下器件退化的机制，并为提高器件性能和可靠性提供指导。

研究目的：

本研究旨在通过低频1/f噪声测量来定位关闭状态应力下AlGaN/GaN HEMTs中时间依赖性退化的位置，并结合电致发光分析来进一步理解损伤的性质。

实验方法：

研究使用了金属有机气相外延生长在碳化硅衬底上的AlGaN/GaN HEMTs。通过在关闭状态下施加应力（Vgs = -6V, Vds = 35V），持续30小时，并在此期间进行噪声和EL特性的中间表征。噪声测量在欧姆区进行，使用宽带低噪声电流到电压（I-V）转换器测量源电流。电致发光成像使用Opticstar电荷耦合器件相机进行，通过反向反射系统从晶片背面记录EL信号，以实现对整个设备区域的微米级分辨率探测。

研究结果：

实验结果显示，在初始退化（软击穿，SBD）阶段，栅极漏电流出现显著增加，而其他设备参数（如阈值电压VT、漏电流Id和导通电阻Ron）受到的影响小于10%。通过分析栅极电压依赖的归一化电流谱密度SI/I2，研究确定了噪声源的位置。在应力测试期间，SI/I2在VG ~ -1和VG ~ -3区域增加，表明应力相关的缺陷密度在金属栅极下方增加，并且可能在栅极-漏极区域的高电场区域扩展。

结果解释：

研究结果表明，1/f噪声行为暗示应力诱导的缺陷主要位于栅极下方，并可能扩展到高电场的栅极-漏极区域，这与栅极边缘击穿相关的缺陷不同。这些发现有助于更好地理解在关闭状态应力测试期间设备损伤的演变过程。

研究的创新点和亮点：

创新性地使用低频1/f噪声测量与电致发光分析相结合的方法，以定位和表征HEMTs中的应力诱导损伤。
通过对栅极电压依赖的噪声特性的分析，能够区分和监测设备通道中不同区域的损伤和缺陷的产生。
提供了一种定量估计缺陷生成的方法，并提出了一个基于电荷捕获和释放的通道噪声模型。

研究的意义和应用前景：

这项研究对于提高AlGaN/GaN HEMTs的可靠性和性能具有重要意义。通过更好地理解在高应力条件下设备退化的机制，可以指导未来的设计改进，减少缺陷生成，从而提高这些设备在高功率和高电压应用中的性能和寿命。此外，这项工作还为半导体器件的可靠性测试和分析提供了一种新的有效工具，有助于推动相关技术的发展和应用。

图 1(a)：展示了在关闭状态应力前后，器件的直流漏电流（Vds = 50 mV）特性以及反向栅极电流的退化情况。图中的线性和对数刻度显示了在应力前后的漏电流变化，而插图则显示了反向栅极电流的退化过程。初始的退化（软击穿，SBD）表现为漏电流的首次跳跃，随后是与反向栅极电流增加相关的磨损阶段。
图 1(b)：描述了在应力时间内栅极漏电流的变化情况。图中显示了在应力过程中，栅极漏电流随时间的增加情况，这与器件退化有关。
图 2：展示了在关闭状态应力下，AlGaN/GaN HEMT的低频1/f通道噪声电流谱密度。图中显示了在特定栅极电压（Vgs - VT = 0.1 V）下的噪声谱密度随应力时间的增加而逐渐增加，表明了通道中缺陷的增加。
图 3(a)：描述了在应力前后，归一化电流谱噪声密度SI/I2与有效栅极电压VG的关系。图中展示了在应力开始后，通道噪声没有明显增加，即使在多次EL检测后也是如此。插图中的EL图像显示了新鲜器件中没有记录到热点。
图 3(b)：在经过2小时和30小时的关闭状态应力后，展示了归一化电流谱噪声密度SI/I2随有效栅极电压VG的变化。图中显示了在应力过程中，SI/I2在VG ~ -1和VG ~ -3区域的增加，表明了在金属栅极下方应力相关的缺陷密度的增加。
图 4：描述了在关闭状态应力期间，归一化电流谱噪声密度SI/I2与漏电流的关系。数据遵循SVFB(gm/Id)^2特性（图中的实线），表明沟道噪声可以通过基于通道界面附近缺陷的电荷捕获和释放的载流子数目波动模型来建模。