图1 陷阱电荷在 GaN HEMT中出现的位置
如图1所示的6种情形归纳如下：
(1)半导体/介质表面陷阱；
(2)势垒体陷阱；
(3)沟道/势垒界面陷阱；
(4)缓冲层体陷阱；
(5)基板/半导体界面陷阱；
(6)耗尽区产生/复合。
通常,根据陷阱电荷出现的原因及影响作用,将以上各种位置的陷阱电荷归结为两大类:表面陷阱( surface traps)和体陷阱( bulk traps)。
表面陷阱主要来源于表面态。浮栅的表面势测量实验表明,当栅漏极二极管较强反偏置时,在 GaN HEMT表面存在负充电的表面势,这也证实了表面态的存在。表面态分为本征态和缺陷相关态。“本征”意味着该表面态出现在理想的表面,可通过薛定谔( Schrodinger)方程和假设的波矢量值k求解得到,该波函数是存在于表面的随距离指数衰减的凋落波。缺陷相关态是由表面点缺陷或杂质引起的外部表面态,它是在晶体生成及后续工艺加工过程中引入的,如金属蒸发。尽管目前还不能准确地测量表面陷阱能级及密度,但相关研究指出,存在1013cm-2量级的类施主表面陷阱电荷。
体陷阱主要来源于材料掺杂引入的杂质。漏源接触间电流通过体GaN层和泄漏通路形成,电子出现在体GaN中会降低器件的夹断特性,该效应可以通过制作半绝缘缓冲层减小电流向基板泄漏。减小电流泄漏需要同时减小缓冲层的电子浓度,或使费米能级向本征能级靠近,但从制作工艺的角度讲,获得费米能级靠近本征能级的载流子浓度的材料是不可行的,而更容易的方法是,注入深杂质将费米能级钉在禁带中心。这种获得绝缘材料的补偿方法广泛应用在GaN、GaAs及InP材料中,但消除缓冲层泄漏电流的同时,在GaN层引入了大量的杂质深陷阱由于氧和氮空穴的存在,典型的GaN缓冲层有背景电子浓度存在,而氧是主要杂质来源,它来源于 MOCVD生长中的NH3和金属有机化合物前驱体,以及MBE中的水蒸气残留,碳杂质和穿线位错可以作为补偿受主。为了得到高质量的半绝缘GaN缓冲层,合适地控制碳和氧杂质显得格外重要,它往往通过减小非有意施主浓度和优化补偿受主来实现。目前,GaN缓冲层中准确的陷阱能级和陷阱密度尚未得知。总之,GaN缓冲层的体陷阱是由制作工艺中掺杂杂质引起的,其陷阱中心的数量可通过杂质浓度来估计。AIGAN势垒层中体陷阱是由碳和氧引起的。AIGAN层的生长条件研究表明碳和氧成分随着Al组分的增加而增大,并且浓度比GaN层高,达到107cm-3量级。减小这些杂质浓度的策略是减少材料的龟裂及优化碳和氧成分。
GAN HEMT的陷阱通过集中在晶圆表面或2DEG层下的准静态电荷分布,引起器件电流及功率性能恶化; AlGaN和GaN层的大量缺陷密度也会减小2DEG密度和漏极电流;同时,器件的夹断特性和栅泄漏电流也会受到影响。陷阱效应对GAN HEMT器件的电特性影响包括跨导频率色散、漏极电流崩塌效应、光敏性、栅极和漏极滞后效应及射频功率受限等。图2是GaN HEMT器件漏极电流测试结果对比,可以看出,在未作表面钝化处理时,高漏极电压偏置时,Vds<8V的区域有明显的电流崩塌现象(图2(a),主要是因为在缓冲层中有热电子被注入和捕获,这些陷阱电荷将耗尽有源沟道下2DEG并导致随后Vds偏置下的漏极电流减小。陷阱电荷在光照和热发射时可被释放。此外,由于自热效应,Vds>10V后的漏极电流有逐渐降低的趋势。利用SiN钝化前后的漏极电流测试结果对比如图2(b)所示,钝化处理之后的 GaN HEMT,由于热电子注入和捕获的效应降低,所以沟道中2DEG浓度增加,漏极电流也相应地增大,但陷阱效应引起的膝点电压增大的电流崩塌效应并没有消除。图3是 Gan HEMT器件钝化前后的归一化漏极电流瞬态测试结果对比。图3(a)中,栅极VGS脉冲偏置从夹断电压到0V,漏极VDS偏置在较小的恒定电压下(避免自热)。可以看出,器件钝化处理前后的漏极电流有较大差别(B为钝化前,A为钝化后),原因是表面态耗尽了器件接入区的2DEG,从而限制了漏极电流输出,引起了栅极滞后现象。图3(b)中,栅极VGS保持在0V,漏极VDS脉冲偏置从较小的电压值(mV级)到较大电压值(15~20V),再回到较小的电压值。可以看出,典型的长周期漏极滞后特性如曲线A所示,漏极滞后比(DLR)ID2/ID1约为0.85;而曲线B是在高电导率(电阻率<102Ω·cm)缓冲层材料的 GaN HEMT器件上测得的,漏极滞后比约为1,可以发现,在高电导率缓冲层中陷阱电荷更少或者说陷阱电荷被浅施主填充,但高电导率缓冲层会使夹断特性恶化;缓冲层电导率最优的(电阻率105Ω·cm) GaN HEMT器件瞬态测试结果如曲线C所示,在短脉冲长度测试条件下,几乎没有出现漏极滞后现象。
图2 崩塌效应对漏极电流的影响
图3 漏极电流瞬态特性对比
总之,在现有制作工艺条件下, GaN HEMT器件中存在陷阱效应,会引起漏极电流崩塌及栅、漏极滞后现象等,表面钝化处理虽然可以在一定程度上提高漏极电流、降低栅极滞后效应,但并不能消除电流崩塌效应的影响,GaN缓冲层及AlGaN势垒层质量对器件电流崩塌效应有着重要的影响,因此最优化的器件结构和制作工艺是获得优良GaN HEMT器件的关键。