背栅效应下氮化镓功率器件中的载流子缺陷能级与结构研究

Research on Energy Levels and Structures of Carrier Defects in GaN Power Devices under Back-Gating Effects

摘要

通过实验表征和理论计算为氮化镓功率器件中的材料缺陷和背栅效应之间提供了物理联系。首先制备了硅基氮化镓高电子迁移率晶体管；然后采用电流瞬态方法研究了器件中背栅效应下的缺陷能级，基于时间常数谱和阿伦尼乌斯定律分析，确定了三种主要的电子缺陷能级，分别为0.169、0.240和0.405 eV；最后，利用第一性原理计算研究了缺陷的可能结构。

Abstract

This study establishes a physical link between material defects and back-gating effects in GaN power devices through experimental characterization and theoretical calculations. GaN high electron-mobility transistors were first fabricated on the GaN-on-Si platform. Then, the defect level under back-gating effects was investigated using the current transient method. Three major electron defects were identified based on the time-constant spectra and Arrhenius law with energy levels of 0.169, 0.240, and 0.405 eV, respectively. Finally, first-principles calculations were conducted to explore the potential structures of these defects.

Graphical abstract

关键词

背栅效应 / 电流瞬态方法 / 缺陷能级 / 第一性原理计算

Key words

back-gating effects / current transient method / defect level / first-principles calculations

0　 引 言

基于氮化镓（GaN）的功率器件，特别是基于硅基氮化镓（GaN-on-Si）平台的高电子迁移率晶体管（HEMT）^[1，2]，凭借其开关损耗低、开关频率高和工作温度高等优异性能^[3~6]在高效功率变换器领域得到了商业化应用。近年来，基于GaN-on-Si平台的全GaN集成电路表现出优越的性能，例如全GaN集成栅极驱动器^[7]和变换器^[8]。这些全GaN 集成电路具有寄生电感小、开关速度快、尺寸紧凑和高温鲁棒性等优点^[9]。然而，在全GaN集成电路中，高压功率器件和具有传感/控制/保护功能的低压电路被集成在同一块衬底上，高压器件的电信号会不可避免地通过公共衬底耦合至低压器件，这就是背栅效应^[10，11]。

背栅效应主要是由GaN缓冲层和过渡层中的缺陷引起的^[12]。当缺陷电荷的状态通过缺陷俘获载流子或载流子的去俘获过程发生变化时，其上方的器件可能会出现性能下降和不稳定的情况，例如发生电流坍塌或阈值电压偏移^[13，14]等现象；由于载流子从缺陷中逃逸出来所需要的时间很长，恢复过程相当缓慢^[15]，对器件的性能持续造成影响。因此，当采用全GaN集成结构时，有关载流子俘获和去俘获过程的研究有着重要作用。

在之前的研究中，Prasad等^[16]和Yang等^[17]采用不同的研究手段分析了GaN器件中的背栅效应，并且采用实验测试的手段表征了可能影响背栅效应的缺陷能级和类型，揭示了背栅效应下的缺陷对器件相关性能的影响。Lyons等^[18]使用基于混合泛函（HSE）方法研究了碳杂质对GaN电学和光学性质的影响，并利用第一性原理计算^[19]精确地给出了影响GaN性质的缺陷结构。这些研究或集中在GaN器件中背栅效应的探讨，或专注于GaN器件中缺陷和杂质的分析。对于全GaN器件中背栅效应的研究，目前未能够深入剖析背栅效应下缺陷的具体类型与结构，并且忽略了缺陷研究在实验表征与理论计算之间的联系。

因此，本文通过实验表征和理论计算相结合的方法对GaN器件中背栅效应下的缺陷能级和结构展开研究。首先，制备一种将远端高压器件和低压测试器件集成在同一块衬底上的GaN功率器件，通过在远端器件的电极上施加高压以诱导器件中发生背栅效应，进而在GaN器件上利用电流瞬态方法对器件中背栅效应下载流子的去俘获过程进行表征；随后，通过时间常数谱提取一系列温度下载流子逃逸的时间常数值，并结合阿伦尼乌斯公式^[20]，计算识别出GaN缓冲层中的三个主要缺陷能级；最后，借助第一性原理计算确定缺陷的结构，并验证与背栅效应相关的缺陷能级。

1　 实验部分

1.1　器件制备

如图1所示是GaN功率器件的横截面示意图。自下而上分别由硅衬底层、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、钝化层、p-GaN层以及源极、漏极和栅极组成。基于GaN的基本结构，我们将远端高压器件和低压测试器件并排集成在GaN-on-Si平台上，并通过离子注入隔离器件的有源区，隔离距离4 000 μm。GaN-on-Si平台通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在p型硅（Si）（111）衬底上生长，该平台由70 nm镁掺杂p-GaN层、21 nm Al_0.25Ga_0.75N势垒层、300 nm GaN沟道层以及4 µm碳掺杂缓冲层、应变控制层和成核层组成^[21]。

常关型GaN HEMTs的制造工艺具体如下：首先使用感应耦合等离子体反应离子蚀刻对源极/漏极区域中的p-GaN层进行蚀刻。随后在AlGaN势垒层上沉积钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）（20/150/50/80 nm）金属叠层并退火以形成欧姆接触。Ni/Au金属叠层沉积在p-GaN层上作为栅电极。接着通过氯基等离子体蚀刻掉栅极和源极/漏极接触之间的p-GaN层。然后利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长SiN _x （50 nm）作为钝化层，再利用离子注入隔离器件有源区。最后，在氮化物环境中对器件进行退火。

1.2　器件中的载流子缺陷研究

为了研究常关型GaN HEMTs中背栅效应下载流子缺陷的能级，设计了以下实验过程：首先，通过在远端器件的电极上施加电压（V_{DS_HS}），使氮化镓器件中发生背栅效应。然后，背栅效应的发生会诱导测试器件下方缓冲层中的缺陷俘获载流子，当被俘获的载流子无法立即释放出来时，就会导致器件中的电流发生退化。随后被俘获的载流子会缓慢从缺陷中逃逸出来，器件中电流又得以缓慢恢复。因此，通过测试器件中载流子去俘获过程的电流瞬态可以有效表征器件中的缺陷特征。如图2所示，分别是电压为200、400和600 V下测试器件中漏电流（I_{DS_LS}）的归一化恢复曲线。根据静态I-V特性，在V_{DS_HS}=0 V和V_{DS_LS}=0.5 V时测得最大漏电流I₀，则归一化电流Norm.I_{DS_LS} =I_{DS_LS}/I₀。实验测试过程中，远端器件偏置V_{DS_HS} 施加10 s后切换到0 V，测试器件则始终保持导通状态，对其施加V_{DS_LS}=0.5 V的电压。当远端器件施加高压时，由于背栅效应产生了正衬底电压补偿了负空间电荷，因此器件中的电流不会发生退化^[10]；当远端器件的高压撤去并降至0 V时，测试器件的I_{DS_LS}在远端器件关断的瞬间发生电流坍塌，造成电流的瞬态减小，这种电流退化表明缓冲层中存在负空间电荷，会部分耗尽2DEG通道中的电子，导致器件中电流的减小；I_{DS_LS}在达到最小值后开始缓慢恢复，这表明缓冲层中被缺陷俘获的载流子发生了缓慢的去俘获过程。我们对I_{DS_LS}的恢复过程进行了长达1 000 s的监测。图2中增加的电流阶跃表明，器件中电流的缓慢恢复是由于位于导带以下的缺陷能级（即电子缺陷）的电子热发射过程造成的^[22]。此外，测试结果还表明，较高的电压会导致较大的电流退化，而随着温度的升高，电流的恢复速度也会加快^[23]。

为了计算载流子去俘获过程的发射时间常数，采用最小均方法^[24]对电压和温度相关的电流恢复过程进行非线性拟合，拟合公式如（1）式所示：

I_{\mathrm{f}\mathrm{i}\mathrm{t}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{d}}=\mathrm{1}+{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{A}_i\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left(\frac{-t}{{\tau }_i}\right)（1）

其中，A_i 是待估计的拟合参数，τ_i 是时间常数，t是自变量时间，n根据拟合情况自定义选择,可以是3/4/5。拟合曲线如图2中的虚线所示，从图2中可以看出，拟合曲线与测试曲线结果保持高度一致性。

2　 结果与讨论

2.1　缺陷能级分析

如图3所示，我们计算了当电压分别为200、400和600 V时，在不同温度下器件中的载流子去俘获过程的时间常数谱。图3中的正峰是由于器件中的电子缺陷引起的，峰值的横坐标值代表了电子从缺陷中逃逸的时间常数。通过对峰进行高斯拟合，确定峰值的具体位置。在每组电压条件下，提取了每个温度下如图中黑色箭头所指的峰对应的时间常数（τ_i ）值。可以看到，随着温度升高，峰值向较低的时间常数移动。这意味着温度的升高会加速载流子的逃逸过程，即符合阿伦尼乌斯定律^[20]。因此，在每组电压下，对提取的载流子在不同温度下的逃逸时间常数（τ_i ）使用阿伦尼乌斯公式评估缺陷特征。阿伦尼乌斯公式如（2）式所示：

{\tau }_i{T}^{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[\left(E_{\mathrm{C}}-E_{\mathrm{T}}\right)/kT\right]}{{\gamma }_{\mathrm{n}}{\sigma }_{\mathrm{n}}}（2）

其中，τ_i （s）是时间常数，T（K）是温度，E_C-E_T（eV）是缺陷激活能，k是玻尔兹曼常数，γ_n是校正因子，σ_n（cm²）是俘获截面积。相应的缺陷能级可由（2）式求得，200、400和600 V电压下的E_C-E_T分别为0.169、0.240和0.405 eV。从计算结果可以看出，更高电压下表征出更深的缺陷能级，这可能是因为更高的电压导致缺陷在空间上更靠近硅衬底，而缺陷在不同的GaN深度具有不同的缺陷类型。Hsu等^[25]，Pan等^[26]和Li等^[27]已经报道了具有与上述能级相似的缺陷类型的存在。

当在远端器件电极施加高压时，通过背栅效应耦合出的正衬底电压将测试器件下方2DEG通道中电子吸引到GaN缓冲层中，这些电子被缓冲层中的缺陷俘获^[10]。随着远端器件上电压的增加，会耦合产生出更高的衬底电压，器件内部的电场也会随之增强，从而吸引更多的电子被俘获在更深的缺陷能级中。当高压撤去后，缓冲层中被俘获的电子无法立即释放，这些负空间电荷会部分耗尽2DEG通道中的电子，导致器件的漏极电流减小。同时，随着时间的增加，被俘获的电子将从这些缺陷中缓慢释放出来，器件中电流也会缓慢恢复。值得注意的是，随着温度升高，由于更显著的电子热发射过程，被俘获的电子将更快地从缺陷中逃逸出来，甚至可以部分抵消高压作用下载流子的俘获效应所引起的影响。

2.2　缺陷结构分析

为了研究对应缺陷能级下缺陷的结构，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，通过VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）程序进行计算，以深入探讨这些缺陷的结构特性和缺陷转换能级^[28]。根据之前的报道，假设存在氧原子取代氮原子位点（O_N）^[29]，氮空位（V_N）^[30]和氢间隙原子（H_i）^[31，32]这三种缺陷结构的可能性。计算出的缺陷结构如图4（a）~（c）所示。为了克服半局部交换相关泛函中带隙低估的问题，使用了杂化泛函（HSE）^[33]计算电子结构和缺陷跃迁能量。计算中平面波的截断能被设置为520 eV。在原子结构的优化过程中，将每个原子的能量收敛到1×10^-5 eV，同时每个原子上的受力收敛至0.2 eV/nm，直到原子达到平衡位置。计算得到缺陷能级范围为0.150~0.460 eV，与利用（2）式计算得出的缺陷能级值相对应，表明以上所提到的缺陷结构都可能在实验过程中产生。

图4（d）为缺陷形成能图，从图中能看出三种缺陷都具有负的形成能，这意味着三种缺陷都较容易形成。其中O_N具有相对较低的形成能，是浅施主缺陷，在导带底部（CBM）下方0.150 eV处有一个+/0热力学跃迁能级，表示从正电荷状态转变为电荷中性态。V_N缺陷是浅施主，其+/0热力学跃迁能级位于CBM以下0.250 eV处。同理，浅施主H_i的热力学跃迁能级比CBM低0.460 eV。

根据结果，理论计算得到的O_N、V_N、H_i的缺陷能级分别与背栅效应实验中200、400、600 V电压测试下得到的缺陷能级数值相近。

3　 结 语

本文制备了一种在GaN-on-Si平台上常关型GaN HEMTs，采用电流瞬态方法研究了不同电压和温度下器件中背栅效应发生时，载流子的去俘获过程，根据时间常数谱和阿伦尼乌斯定律识别出了能级分别为0.169、0.240和0.405 eV的三种缺陷态。此外，基于第一性原理计算，确定了缺陷的结构并验证了缺陷能级，实验表征得到的缺陷能级和通过第一性原理计算得到的缺陷能级相近。以上实验表征和理论计算相结合的方法为GaN器件中背栅效应下的缺陷研究提供了新思路。

参考文献

[1] LI X D， VAN HOVE M， ZHAO M， et al. 200 V enhancement-mode p-GaN HEMTs fabricated on 200 mm GaN-on-SOI with trench isolation for monolithic integration［J］. IEEE Electron Device Letters， 2017， 38（7）： 918-921. DOI： 10.1109/LED.2017.2703304 .

[2] HUANG S， WEI K， LIU G G， et al. High-f_MAX high Johnson’s figure-of-merit 0.2- μ m gate AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate with AlN/SiNx passivation［J］. IEEE Electron Device Letters， 2014， 35（3）：315-317. DOI： 10.1109/LED.2013.2296354 .

[3] ANUPAMA， REWARI S， PANDEY N. Numerical simulation and characterization of high-power gallium nitride based Junctionless Accumulation Mode Nanowire FET （GaN-JAM-NWFET） for small signal high frequency terahertz applications［J］. AEU‐International Journal of Electronics and Communications， 2024， 174： 155032. DOI： 10.1016/j.aeue.2023.155032 .

[4] CHEN K J， HÄBERLEN O， LIDOW A， et al. GaN-on-Si power technology： Devices and applications［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2017， 64（3）： 779-795. DOI： 10.1109/TED.2017.2657579 .

[5] JAYANT BALIGA B. Gallium nitride devices for power electronic applications［J］. Semiconductor Science and Technology， 2013， 28（7）： 074011. DOI： 10.1088/0268-1242/28/7/074011 .

[6] WANG F Z， CHEN W J， SUN R Z， et al. An analytical model on the gate control capability in p-GaN Gate AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors considering buffer acceptor traps［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2021， 54（9）： 095107. DOI： 10.1088/1361-6463/abc504 .

[7] PALACIOS T， ZUBAIR A， NIROULA J， et al. GaN 2.0： Power FinFETs， complementary gate drivers and low-cost vertical devices［C］//2021 33rd International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs （ISPSD）. New York： IEEE Press， 2021： 6-10. DOI: 10.23919/ispsd50666.2021.9452205 .

[8] LYU G， WEI J， SONG W J， et al. A GaN power integration platform based on engineered bulk Si substrate with eliminated crosstalk between high-side and low-side HEMTs［C］//2021 IEEE International Electron Devices Meeting （IEDM）. New York： IEEE Press， 2021： 5.2.1-5.2.4. DOI： 10.1109/IEDM19574.2021.9720505 .

[9] SUN R Z， LIANG Y C， YEO Y C， et al. All-GaN power integration： Devices to functional subcircuits and converter ICs［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2020， 8（1）： 31-41. DOI： 10.1109/JESTPE.2019.2946418 .

[10] JIANG Q M， TANG Z K， ZHOU C H， et al. Substrate-coupled cross-talk effects on an AlGaN/GaN-on-Si smart power IC platform［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2014， 61（11）： 3808-3813. DOI： 10.1109/TED.2014.2355834 .

[11] PAGNANO D， LONGOBARDI G， UDREA F， et al. Suppression of substrate coupling in GaN high electron mobility transistors （HEMTs） by hole injection from the p-GaN gate［J］. Applied Physics Letters， 2019， 115（20）： 203502-203507. DOI： 10.1063/1.5121637 .

[12] ZHOU C H， JIANG Q M， HUANG S， et al. Vertical leakage/breakdown mechanisms in AlGaN/GaN-on-Si devices［J］. IEEE Electron Device Letters， 2012， 33（8）： 1132-1134. DOI： 10.1109/LED.2012.2200874 .

[13] BINARI S C， KLEIN P B， KAZIOR T E. Trapping effects in GaN and SiC microwave FETs［J］. Proceedings of the IEEE， 2002， 90（6）： 1048-1058. DOI： 10.1109/JPROC.2002.1021569 .

[14] DEL ALAMO J A， JOH J. GaN HEMT reliability［J］. Microelectronics Reliability， 2009， 49（9/10/11）： 1200-1206. DOI： 10.1016/j.microrel.2009.07.003 .

[15] JOH J， DEL ALAMO J A. A current-transient methodology for trap analysis for GaN high electron mobility transistors［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2011， 58（1）： 132-140. DOI： 10.1109/TED.2010.2087339 .

[16] PRASAD A， THORSELL M， ZIRATH H， et al. Analyzing the back-gating effect in GaN HEMTs with field-plates using an empirical trap model［C］//2021 IEEE MTT-S International Microwave and RF Conference （IMARC）. New York： IEEE Press， 2021： 1-4. DOI： 10.1109/IMaRC49196.2021.9714650 .

[17] YANG S， ZHOU C H， HAN S W， et al. Impact of substrate bias polarity on buffer-related current collapse in AlGaN/GaN-on-Si power devices［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2017， 64（12）： 5048-5056. DOI： 10.1109/TED.2017.2764527 .

[18] LYONS J L， JANOTTI A， VAN DE WALLE C G. Effects of carbon on the electrical and optical properties of InN， GaN， and AlN［J］. Physical Review B， 2014， 89（3）： 035204. DOI： 10.1103/physrevb.89.035204 .

[19] FÜNER M， WILD C， KOIDL P. Novel microwave plasma reactor for diamond synthesis［J］. Applied Physics Letters， 1998， 72（10）：1149-1151. DOI： 10.1063/1.120997 .

[20] RAJA P V， BOUSLAMA M， SARKAR S， et al. Deep-level traps in AlGaN/GaN- and AlInN/GaN-based HEMTs with different buffer doping technologies［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2020， 67（6）： 2304-2310. DOI： 10.1109/TED.2020.2988439 .

[21] WANG H， LIN Y， JIANG J S， et al. Investigation of thermally induced threshold voltage shift in normally-OFF p-GaN gate HEMTs［J］. IEEE Transactions on Electron Devices， 2022， 69（5）： 2287-2292. DOI： 10.1109/TED.2022.3157805 .

[22] MEDJDOUB F， INIEWSKI K. Gallium Nitride （GaN）： Physics， Devices， and Technology［M］. Boca Raton： CRC Press， 2016. DOI: 10.4324/b19387 .

[23] MILLER G L， LANG D V， KIMERLING L C. Capacitance transient spectroscopy［J］. Annual Review of Materials Science， 1977， 7： 377-448. DOI： 10.1146/annurev.ms.07.080177.002113 .

[24] ZHENG X， FENG S W， ZHANG Y M， et al. Identifying the spatial position and properties of traps in GaN HEMTs using current transient spectroscopy［J］. Microelectronics Reliability， 2016， 63： 46-51. DOI： 10.1016/j.microrel.2016.05.001 .

[25] HSU P C， SIMOEN E， LIANG H， et al. Defect characterization in high-electron-mobility transistors with regrown p-GaN gate by low-frequency noise and deep-level transient spectroscopy［J］. Physica Status Solidi （a）， 2021， 218（23）： 2100227-2100235. DOI： 10.1002/pssa.202100227 .

[26] PAN S J， FENG S W， LI X， et al. A trap characterization system for GaN HEMTs based on transient drain voltage［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement， 2024， 73： 6000912. DOI： 10.1109/TIM.2023.3335518 .

[27] LI K X， MATSUDA T， YAGYU E， et al. Trapping phenomena in GaN HEMTs with Fe- and C-doped buffer［C］//2022 Device Research Conference （DRC）. New York： IEEE Press， 2022： 1-2. DOI： 10.1109/DRC55272.2022.9855817 .

[28] KRESSE G， FURTHMÜLLER J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set［J］. Physical Review B， Condensed Matter， 1996， 54（16）： 11169-11186. DOI： 10.1103/physrevb.54.11169 .

[29] DEMCHENKO D O， DIALLO I C， RESHCHIKOV M A. Yellow luminescence of gallium nitride generated by carbon defect complexes［J］. Physical Review Letters， 2013， 110（8）： 087404. DOI： 10.1103/PhysRevLett.110.087404 .

[30] YAN Q M， JANOTTI A， SCHEFFLER M， et al. Role of nitrogen vacancies in the luminescence of Mg-doped GaN［J］. Applied Physics Letters， 2012， 100（14）： 142110-142115. DOI： 10.1063/1.3699009 .

[31] LYONS J L， GLASER E R， ZVANUT M E， et al. Carbon complexes in highly C-doped GaN［J］. Physical Review B， 2021， 104（7）： 075201. DOI： 10.1103/physrevb.104.075201 .

[32] MATSUBARA M， BELLOTTI E. A first-principles study of carbon-related energy levels in GaN. Ⅰ. Complexes formed by substitutional/interstitial carbons and gallium/nitrogen vacancies［J］. Journal of Applied Physics， 2017， 121（19）： 195701-195714. DOI： 10.1063/1.4983452

[33] HEYD J， SCUSERIA G E， ERNZERHOF M. Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential［J］. The Journal of Chemical Physics， 2003， 118（18）： 8207-8215. DOI： 10.1063/1.1564060 .

基金资助

安徽省高校协同创新项目(GXXT-2023-001)

安徽省自然科学基金(2308085QF212)

武汉大学电子制造与封装集成湖北省重点实验室开放基金(EMPI2023008)