基金项目：国家重点研发计划(2017YFB 0403000)
收稿日期:2020-07-23㊀㊀㊀通信作者：蔡小龙
作者简介：孙梓轩(1995-)，男，安徽安庆人，工程师，硕士，从事氮化镓射频器件可靠性研究工作; 蔡小龙(1989-)，男，山东东营人，工程师，博士，主要从事碳化硅光电器件及氮化镓射频器件等方面的研究工作㊂
第39卷㊀第12期2020年12月
电子元件与材料
ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALS
Vol .39No .12Dec .
水泥胶砂振动台
2020
孙梓轩1,2，蔡小龙1,2,3，杜成林1,2，段向阳2，陆㊀海3
srvcc
(1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东深圳㊀518057;2.中兴通讯股份有限公司，江苏南京㊀210012;
3.南京大学电子科学与工程学院，江苏南京㊀210093)
㊀㊀摘要：氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )凭借着高电子迁移率㊁低导通电阻和高击穿场强等优点，在高频器件
和大功率开关器件等领域得到了广泛运用㊂但经时击穿会导致在正常工作电压范围内的器件发生失效，因此GaN 器件的经时击穿成为了评估器件可靠性的关键因素㊂介绍了GaN HEMT 经时击穿的现象及偏压依赖性，总结了经时击穿的物理机制，讨论和展望了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端结构对提升器件的经时击穿可靠性的作用㊂ 关键词：氮化镓；高电子迁移率晶体管；综述；经时击穿；失效；可靠性DOI :10.14106/j ki .1001-2028.2020.0523
中图分类号:TN 304.2㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A
Research progress on reliability of time -dependent
breakdown in GaN HEMT
SUN Zixuan 1,2,CAI Xiaolong 1,2,3,DU Chenglin 1,2,DUAN Xiangyang 2,LU Hai 3
(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518057,Guangdong Province,China;
2.ZTE Corporation,Nanjing 210012,China;
3.School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China)
㊀㊀Abstract :Due to their high electron mobility ,low on -resistance and high breakdown field ,GaN high electron mobility transistors (HEMTs )are widely used in high frequency and high power switching devices.Time -dependent breakdown becomes a key
factor in evaluating the reliability of GaN HEMT ,because it could lead to failure of the device under n
ormal operating voltage.In this paper ,the phenomena and bias dependence of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are introduced ,and its physical mechanism are also summarized.The effect of the field plate ,passivation layer ,and gated edge termination structure to the the reliability improvement of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are discussed.
Key words :GaN ;high electron mobility transistor (HEMT );review ;time -dependent breakdown ;failure ;reliability
㊀㊀由于具备高电子迁移率㊁高热导率㊁宽禁带等特点，氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )成为了第三代半导体器件的研究热点[1-2]㊂在不同衬底的GaN HEMT 中硅(Si )基GaN HEMT 具有低成本㊁大尺寸以及与Si 基互补型金属氧化物半导体(CMOS )工艺相互兼容等优势，被广泛应用于转换开关㊁充电设备等电子电力领域㊂相比传统的Si 基CMOS 器件,GaN HEMT 具备更低的导通电阻和更大的开关频率，这些特性降低了开关器件的功率转换损耗[3-4]㊂由于功率转换损耗占全球用电量的10%，因此规模性采用高效功率转换器可以节约全球大量的
电力资源㊂与Si 基器件相比，采用碳化硅(SiC )衬底的GaN 器件具备更高的热导率，降低了沟道温度带来的不利影响，因此SiC 基GaN HEMT 被广泛应用于高功率射频器件中[5]㊂此外,GaN 材料的击穿场强高达约3.3MV /cm ，使GaN HEMT 高压器件能够在超过1000V 的电压下有效运行[6-7]，展现了在汽车充电桩和大型工业电源应用中的广阔前景㊂
但是在实际应用中,GaN HEMT 存在着经时击穿㊁自热效应㊁电流崩塌以及热载流子效应等可靠性问题，严重影响了GaN HEMT 的工作稳定性和使用寿命，因此评估和提升GaN HEMT 的可靠性成为
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了继续扩大器件商用规模的重要一环㊂通常而言, GaN HEMT的抗击穿能力是一项关键的可靠性指
标，这决定了器件的使用场景以及使用寿命，当器
件的抗击穿能力与使用场景不匹配时，将会发生器
件级甚至系统级的失效㊂另外，在对GaN HEMT进
行击穿测试时发现，器件会发生经时击穿(TDDB, Time-Dependent Breakdown)，即器件长时间处于正
常工作电压范围内发生击穿失效的现象[8-10]㊂这种可靠性问题会导致GaN HEMT工作在合适的使用场
景中也可能会发生失效，因此GaN HEMT的经时击
穿需要得到更多的关注㊂
在传统的Si基CMOS器件中，经时击穿的相关
机理已经得到了深入的研究[11-13]㊂通过参考CMOS 器件经时击穿的研究思路，可以确定在研究GaN HEMT经时击穿时，首先需要了解器件经时击穿的偏压依赖性，然后根据实验结果分析出器件经时击穿失效的物理机理，最后基于前期的研究结果，优化器件的结构来提升器件的经时击穿可靠性㊂
在本文中，首先介绍了GaN HEMT的经时击穿
现象以及这种现象对电压的强依赖性，然后总结了GaN HEMT经时击穿的物理机理，最后讨论了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端(GET)结构对器件经时击穿可靠性的提升㊂这将会有助于从器件工艺层面有效改善经时击穿，从而提升器件寿命及可靠性㊂
1㊀GaN HEMT的经时击穿特性介绍
涡旋振荡器1.1㊀经时击穿的电流特性
通常采用在栅极施加电压应力，源极和漏极接地，并检测栅电流随应力时间变化的方式来表征GaN HEMT的栅极经时击穿特性㊂以Wu和Meneghini等的研究为例[14-15]，在固定栅应力下测得的栅电流
的变化：栅电流最初较为稳定，并在陷阱俘获效应的作用下略有下降㊂在应力时间增加到320s之前，栅电流与阈值电压都随着时间增加呈指数形式的降低，如图1(a)所示;320s之后，在栅应力的作用下大量陷阱在器件中生成，从而增大了栅电流噪声幅度，如图1(b)所示；随着应力时间的进一步增加，器件发生击穿失效，此时可以观测到器件的栅电流突然急剧增加(图1(c))㊂ 1.2㊀经时击穿的偏压依赖性
为了研究GaN HEMT经时击穿的电压依赖性, Marcon等进行了几组不同恒定电压应力下的经时击穿测试[16]㊂在实验中对三组相同型号的器件分别施加了55,60和65V三个不同的应力电压㊂实验表明，器件的击穿时间(t BD)随着应力电压的增加而减小，如图2所示㊂因此，器件的经时击穿具有明显的偏压依赖性，即更高的偏压降低了器件的击穿时间[17-19]㊂根据经时击穿的电压依赖性，可以确定器件的内部电场对经时击穿起到了主导作用，在后续的器件设计中需要对器件的内部电场峰值进行优化处理
㊂
图1㊀(a)GaN器件在不同栅电压下，栅电流随应力时间的变化图[14];(b)栅电流噪声幅度随应力时间变化图;
(c)阈值电压随应力时间的退化图[15]
Fig.1㊀(a)The relationship between the gate current and stress time in GaN HEMT under various stresses[14];(b)The
gate current noise amplitude changes with stress time; (c)The threshold voltage degradation with stress time
[15]
图2㊀经时击穿的电压依赖性[17]
Fig.2㊀Voltage dependence of time-dependent breakdown[17] 2㊀GaN HEMT的经时击穿机理
2007年,Inoue等研究了GaN HEMT经时击穿与初始栅极泄漏电流之间的关系[20]，发现了初始泄漏电流较大的器件更容易发生经时击穿㊂因此，认为GaN HEMT的经时击穿与栅极泄漏电流路径有关，长时间的电压应力会增加器件的栅极泄漏电流
孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展
第39卷㊀第12期3
㊀路径，导致栅极出现急剧的电流增加现象㊂
2012年,Meneghini 等提出了渗流路径物理模型
来解释施加反向栅极应力时，器件参数的可逆性和永久性退化，并通过2D 仿真结果证明了该模型的合理性[15]㊂该模型认为，经时击穿是在长时间的电压应力下，于AlGaN 层中产生陷阱并最终形成渗
流路径的过程㊂器件经时击穿的物理机制可以由以下六个过程进行描述:(1)器件的缓冲层中存在着施主-深受主对，当向GaN HEMT 施加反向偏置时，高能电子从栅极注入到AlGaN 层,AlGaN 层中的电子积累会导致栅极泄漏电流呈指数下降;(2)在高电场的作用下，电子从AlGaN 层注入到缓冲层中;(3)当在器件上施加较高的反向应力时，电子会获得足够的能量，同时缓冲层中的深受主杂质发生电离，这一过程在场致发光(EL )的光谱上产生宽的黄发射峰[21-22]，或者促使电子从价带转移到深受主能级并产生自由空穴;(4)在器件栅极上施加了较高的负偏压后，缓冲层中的空穴会积聚在AlGaN/GaN 界面处或被AlGaN 层中的陷阱捕获，此时界面处和AlGaN 层中的陷阱都处于正电态，这些正电荷产生的静电势会导致器件的阈值电压降低，如图3(a )所示;(5)在栅极应力下，由于器件内部存在高电场，电子会在AlGaN 层中随机产生陷阱，这些陷阱可以俘获电子，并导致栅极电流噪声增加;(6)随着应力时间的增加，陷阱会发生重叠，在栅极和缓冲层之间产生渗流路径，并导致栅极永久退化㊂基于此模型，可以判断高原生陷阱密度的器件应比低陷阱密度的器件更易发生经时击穿㊂图3(b )中的结果证实了这一判断：对在相同应力条件下的相同型号但初始泄漏电流不同的器件进行经时击穿测试，结果显示t BD 与初始泄漏电流(初始泄漏电流的大小与器件的原生陷阱密度有关)具有幂律关系(Power Law
)㊂
图3㊀(a )陷阱机制示意图;(b )击穿时间与器件导线测量法
初始泄漏电流的关系[15]
Fig .3㊀(a )Schematic representation of the trap mechanism ;(b )Dependence of t BD on the initial leakage current [15]
2015年,Wu 等研究了采用等离子体增强原子层沉积(PE -ALD )氮化硅(SiN x )作为栅介质的GaN HEMT 的经时击穿，发现器件在长时间栅应力下，栅介质中会产生陷阱并形成渗流路径，导致器件击穿㊂在此研究中，通过对比耗尽型(D -mode )HEMT 和增强型(E -mode )HEMT 经时击穿点分布的区别，发现栅极在AlGaN 层中拐角处的介质比栅极下侧的介质薄，更容易形成渗流路径导致器件发生经时击穿[14]㊂同年,Meneghini 等结合实验数据和仿真结果，发现了在应力条件下,GaN HEMT 器件漏极侧的栅极边缘拐角处具有很强的电场尖峰，强电场会使载流子具备更高的能量，从而更容易在钝化层中产生陷阱，这些陷阱会导致栅极边缘拐角处发生击穿[23]㊂
2017年,Hu 等对GaN HEMT 栅极下方区域的
经时击穿进行了实验和仿真分析，发现了GaN 器件的GET 结构在栅应力下会发生两次经时击穿的现象[24]㊂为了探究双次击穿的原因，他们仿真了栅应力-500V 下器件栅极边缘端的电场分布㊂仿真结果显示，栅极下方的二维电子气(2DEG )耗尽区域存在较大的电场，且栅极边缘终端拐角处的电场峰值高达约5MV /cm ㊂据此可以判断第一次击穿过程是在栅极边缘终端拐角处的金属/绝缘体/半导体(MIS )结构中的Si 3N 4介质层内形成了渗流路径㊂第一次击穿后器件的AlGaN /Si 3N 4界面处存在较高的泄漏电流，所以第二次击穿发生在AlGaN 层中㊂
对于具有GET 结构的GaN HEMT 器件，高电场的作用会导致PE -ALD Si 3N 4首先被击穿，然后在AlGaN 势垒中发生第二次击穿㊂
同年,Tallarico 等研究了具有p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 的经时击穿[25]㊂根据Arrhenius 曲线估算出了陷阱激活能E a ʈ0.44eV ，通过与GaN 和
AlGaN 器件的深能级陷阱数据库相对比[26]，认为0.44eV 激活能的陷阱与p -GaN 层中的氧杂质有关[27]，这意味着在长时间的栅极应力条件下，渗流路径逐渐在p -GaN 层中形成，最终导致器件栅极发生经时击穿㊂
2019年,He 等提出了p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 存在两个阶段的经时击穿[28]㊂第一阶段的经时击穿是金属/p -GaN 界面附近的耗尽层中生成的陷阱所引起的击穿；第二阶段是AlGaN 势垒层中产生的陷阱导致AlGaN 被击穿㊂在器件栅极施加正向应力后,p -GaN 层内的耗尽层使金属/p -GaN 肖特基结被反向偏置，而p -i -n 异质结被正向偏置㊂
孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展
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2DEG中的电子将从AlGaN势垒溢出，并注入进p-GaN层中(如果栅极应力很大，栅极也会向p-GaN层注入空穴)㊂载流子在p-GaN耗尽层的高电场作用下加速并变成高能载流子，这些高能载流子将轰击金属/p-GaN界面或界面附近的p-GaN 层，在界面处或p-GaN层中产生陷阱㊂在长时间的应力作用下，陷
阱密度逐渐增加并将栅极接触从肖特基型转变为类欧姆型，引发第一次栅极击穿㊂之后，栅极电压主要被施加在了AlGaN层，陷阱开始在AlGaN层中产生，并形成渗流路径造成AlGaN 层被击穿㊂
同年,Lee等研究了在交流(AC)和直流(DC)栅应力下的GaN HEMT的经时击穿，发现器件在AC应力下具备更长的t BD[29]㊂在正的DC栅应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘靠近费米能级，因此AlGaN和栅介质层界面处会积累电子，导致栅介质层电场增加㊂在高电场作用下，栅介质会更易发生经时击穿㊂然而，在AC应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘离费米能级较远，不会在AlGaN 和栅介质界面积累电子㊂所以,AC应力下的GaN HEMT具备更久的t BD㊂
3㊀经时击穿可靠性的提升
3.1㊀场板技术
在GaN HEMT器件工作的过程中，自热效应会导致在AlGaN层表面处产生陷阱[30]，同时，器件制备阶段也会在AlGaN层表面引入原生陷阱，这些陷阱可以捕获电子，并在AlGaN层表面形成负电荷㊂表面的高浓度负电荷使AlGaN能带发生弯曲，减薄了AlGaN势垒厚度，热电子更容易发生隧穿，隧穿电流过大会使器件更易发生经时击穿[31]㊂此外，器件栅极边缘拐角处存在电场尖峰，高电场会导致该区域更易产生陷阱，从而影响器件的经时击穿可靠性㊂因此，优化器件的内部电场分布，可以有效提升器件经时击穿可靠性㊂
图4为具有场板结构的GaN HEMT剖面示意图，可以发现场板被放置在栅极上方，并且覆盖了栅源区域㊂由于场板与GaN HEMT的源极相连接，当器件处于工作状态时，场板与源极都处于低电位，所以栅极附近的电力线会受到低电位的吸引，部分电力线会从沟道指向场板，缓解了栅极边缘的电场尖峰，降低了栅极漏端附近的电场峰值[32-34]㊂即使在AlGaN层存在缺陷电荷，场板结构也可以使器件内部电场均匀地分布在栅极和漏极之间，降低了陷阱对AlGaN层势垒的影响
㊂
图4㊀场板结构示意图
Fig.4㊀Schematic diagram of field plate structure 2018年,Kabemura等研究了GaN HEMT的场板结构对经时击穿的影响[35]㊂实验结果显示，场板结构的应用可以有效改善器件的经时击穿㊂其中，场板长度在0.2~0.3μm时,GaN HEMT具备最佳的经时击穿可靠性㊂当场板过长，场板边缘到漏端的距离过短时，电场会在场板边缘到漏端区域形成尖峰，导致器件更容易被击穿㊂
3.2㊀钝化层技术
传统的GaN HEMT工艺主要采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiN x作为HEMT的钝化层[36],SiN x钝化了AlGaN层的表面态，降低了由表面态引起的栅漏边缘电场和栅泄露电流，从而优化了HEMT的经时击穿可靠性㊂
2016年,Bao等研究指出传统PECVD SiN x钝化层工艺中的活性等离子体源会破坏AlGaN表面并形成表面陷阱，增加器件的泄漏电流[37-38]㊂因此, PECVD工艺会导致器件的功耗增加以及可靠性变差㊂相比而言，低压力化学气相沉积法(LPCVD)是一种高生长温度和无等离子体源的工艺方法，该方法可以避免等离子体源对AlGaN表面的破坏㊂因此采用LPCVD SiN x代替PECVD SiN x作为GaN HMET的钝化层，提升了器件击穿电压，增强了器件的经时击穿可靠性，降低了栅极泄漏电流以及SiN x/AlGaN界面陷阱密度[39-41]，但LPCVD SiN x工艺比PECVD SiN x工艺需要耗费更多的时间㊂2019年,Gao
等提出了采用NiO x/SiN x和Al2O3/SiN x代替SiN x作为GaN HEMT的钝化层[42]㊂通过电子束蒸发(EB)沉积Ni和Al薄膜，然后在氧环境中退火来制备NiO x和Al2O3㊂由于NiO x和Al2O3都是化学性质稳定的氧化物且具有良好的绝缘性，所以它们可以被用作HEMT的钝化层㊂为了防止金属层被氧化物氧化，在钝化层工艺中采用NiO x/SiN x(Al2O3/SiN x)的堆叠工艺㊂他们在实验生物厕所
孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展
第39卷㊀第12期5
㊀中对比了NiO x /SiN x (Al 2O 3/SiN x )工艺与传统的单层PECVD SiN x ，结果显示采用NiO x /SiN x 和Al 2O 3/SiN x 作为钝化层抑制了HEMT 的电流崩塌效应，降
低了栅极泄漏电流，增强了器件的抗击穿能力㊂相比于SiN x 材料，采用高k 材料如:HfO 2(相
对介电常数εr ʈ20)[43]㊁LaLuO 3(εr ʈ20)[44]和TiO 2(εr ʈ20)[45]作为GaN HEMT 的钝化层也得到了广泛的研究㊂研究表明采用高k 材料的钝化层降低了器件栅极下方的电场峰值，使栅极和漏极之间的电场分布变得平滑，提升了器件的击穿电压和经时击穿可靠性[46-47]㊂2018年,Kabemura 等研究了不同介电常数的高k 材料对GaN HEMT 栅下电场的影响[35]㊂结果表明，更高介电常数的高k 材料更好地优化了HEMT 栅极下方的电场，增加了器件的击穿电压㊂3.3㊀GET 结构
89c2051
AlGaN /GaN 肖特基势垒二极管(SBD )结构是
GaN HEMT 的重要组成部分[48-49]㊂在栅极应力下,SBD 结构中的AlGaN 层被击穿是导致GaN HEMT 经时击穿的关键原因[24,28-29]㊂因此，对SBD 结构的优化可以增强GaN HEMT 的经时击穿可靠性㊂2013年,Lenci 提出了GET 结构[50]，通过在GaN HEMT 的栅极边缘增加一层Si 3N 4介质层，来改善器件的栅极边缘电场特性，如图5所示㊂在AlGaN /栅金属界面引入Si 3N 4介质层，不仅钝化了AlGaN 表面的陷阱，也增加了界面势垒高度，从而降低了栅极隧穿电流㊂实验结果显示，具有GET 结构的HEMT 在-600V 栅电压下的栅泄漏电流低于1μA /mm ，比传统栅极结构HEMT 的栅极泄漏电流低约四个数量级，这表明GET 结构的HEMT 具备更好的耐击穿性能
㊂
图5㊀GaN HEMT 中的栅极边缘终端(GET )结构示意图
[50]
Fig .5㊀Schematic diagram of gated edge termination structure
in GaN HEMT [50]
为了提升GET 结构的经时击穿可靠性,2017年Hu 等提出了采用体膜质量更佳的金属有机物化学气相沉积(MOCVD )Si 3N 4代替PE -ALD Si 3N 4作为GET 结构中的介质层[24]㊂他们在实验中对比了分别采用25nm MOCVD Si 3N 4和25nm PE -ALD Si 3N 4作为介质层的GET 结构的经时击穿结果，发现采用MOCVD -Si 3N 4介质层可以将器件的t BD 提升十倍，并且将击穿电压从15V 提升至25V ㊂2018年,Acurio 等提出了双层GET 结构来改
善SBD 的经时击穿[51]㊂与传统的GET 结构相比，双层GET 结构通过添加第二个GET 层，在AlGaN 势垒内形成了一个新的电场尖峰，这不仅减轻了第一个GET 结构拐角处的电场，而且使电场的分布更加均匀㊂实验结果显示，相比传统的GET 结构，双层GET 结构有效延长了SBD 的击穿时间㊂这种双层GET 结构也可以引入到GaN HEMT 中，改善器件栅极边缘以及AlGaN 层的电场分布，降低器件的泄漏电流，从而改善器件的经时击穿可靠性㊂
4㊀结语
GaN HEMT 具备高工作频率㊁高能量密度等优势，在高频㊁高功率器件等领域得到了广泛的应用，然
而GaN HMET 器件的可靠性问题成为了限制GaN 器件发展的瓶颈㊂其中，经时击穿可靠性问题作为GaN 器件可靠性研究的关键一环，得到了越来越多的关注㊂
本文介绍了GaN HEMT 在长时间栅应力下发生经时击穿的现象及其偏压依赖性㊂随后，总结了GaN HEMT 栅极介质层和AlGaN 层经时击穿的物理机制㊂最后，讨论了通过场板技术㊁钝化层以及GET 技术对GaN HEMT 经时击穿可靠性的提升㊂其中，场板技术降低了栅极边缘处的电场尖峰，改善了器件的经时击穿㊂钝化层技术通过降低器件的初始泄漏电流和栅漏之间的尖峰电场，以提升器件的抗击穿能力㊂GET 结构则是侧重于栅极介质层工艺，不仅降低了栅边缘处的尖峰电场，也抑制了渗流路径的产生㊂这三种工艺技术在器件制备中的灵活运用，可以更好地提升器件的经时击穿可靠性，延长器件的使用寿命，拓宽器件的应用场景㊂
参考文献:
[1]Ma B D.Driving GaN power transistors [C ]//31st
International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD ).NY ,USA :IEEE ,2019:87-90.[2]Li X ,Amirifar N ,Geens K ,et al.GaN -on -SOI :
monolithically integrated all -GaN ICs for power
孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展
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