通过漏电流瞬态（DCT）光谱技术研究AlGaN/GaN HEMT中的Fe相关陷阱形成与释放动态

《IEEE Transactions on Device and Materials Reliability》：Fe-Related Trapping and Detrapping Dynamics in AlGaN/GaN HEMTs Inspected by Drain Current Transient (DCT) Spectroscopy

铁掺杂缓冲层电子捕获动力学在AlGaN/GaN HEMT中的研究基于不同偏置点和脉冲宽度，分析DCT幅度和发射时间常数，发现双脉冲工作状态捕获效应显著，偏置条件是评估捕获效应的关键因素。

　　

摘要：

在射频（RF）高电子迁移率晶体管（HEMT）的大信号操作过程中，输出负载周期可能会覆盖I-V特性的很大一部分（器件的安全工作区域），从而激发可能限制RF性能的陷阱能级。因此，本研究旨在在不同偏压点和脉冲宽度下，分析150纳米AlGaN/GaN HEMT中Fe掺杂缓冲区的电子捕获和释放动态。通过使用三种不同脉冲宽度（从10微秒到100秒）的填充脉冲，分析了与Fe掺杂相关的陷阱的漏极电流瞬态（DCT）幅度变化（ΔIDS）和发射时间常数（τn）。通过温度依赖的DCT测量，确定Fe相关陷阱F1位于E_C - 0.58 eV。ΔIDS的值取决于HEMT中的电离受主密度（即被捕获的电子密度）。研究发现，当HEMT处于栅极延迟和双脉冲关闭状态时，ΔIDS会随脉冲宽度的增加而增大。双脉冲DCT的ΔIDS变化幅度相对较大；而在漏极延迟DCT中，ΔIDS在较宽的脉冲持续时间范围内保持不变。因此，静态偏压点是评估Fe掺杂AlGaN/GaN HEMT中捕获效应的关键因素。

引言

尽管基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）被推荐用于高功率RF应用[1]，但缓冲区捕获引起的动态漂移问题仍未得到解决[2],[3],[4],[5],[6],[7]。如果缓冲层中没有掺入受主型陷阱，HEMT的性能会因垂直缓冲层泄漏、源极到漏极的泄漏（功率耗散增加）、沟道中未受限制的二维电子气（2DEG）密度以及关闭状态下的击穿电压降低（电压摆幅受限）[4],[5],[6]而受到影响。因此，在缓冲层生长过程中故意引入了铁（Fe）等补偿性掺杂剂，以实现半绝缘的GaN缓冲层[4]。GaN晶圆厂已经标准化了Fe掺杂在缓冲层中的工艺。尽管有这些优点，受主型缓冲缺陷仍会在脉冲RF操作期间导致电子捕获和释放现象，表现为漏极电流的瞬态下降和恢复、导通电阻的动态增加以及直流-RF电流的散布[2],[3],[4],[5],[6],[7]。结果，由于捕获效应，HEMT的输出RF功率和效率会动态下降。最近，提出了无缓冲层的GaN HEMT结构[8]和双异质结GaN晶体管（利用背屏障）[9]以减少缓冲区捕获效应。然而，目前Fe掺杂缓冲工艺仍是大多数GaN RF晶圆厂广泛采用的技术。