Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 1, стр. 47-55

ВВЕДЕНИЕ

Для электронных приборов, сформированных на широкозонных нитридных гетероструктурах, весьма актуальна проблема захвата носителей заряда на различных структурных дефектах, создающих глубокие уровни (ГУ) в запрещенной зоне полупроводников. Интерес к дефектам такого рода в настоящее время возрос, так как захват носителей заряда вблизи канала транзистора на ловушках в структурах AlGaN/GaN может уменьшить уровень тока стока транзистора до 90% [1]. Захват носителей заряда на ГУ является одним из главных факторов, определяющих работоспособность и надежность НЕМТ-транзисторов при работе на высоких частотах и высоких мощностях [1–3]. На данном этапе имеется много работ по исследованию ловушечных состояний как на границе AlGaN/GaN, так и в объеме барьерного (AlGaN) и буферного (GaN) слоев, изменяющих плотность двумерного газа в канале; определены их основные параметры: энергия активации, сечение захвата, концентрация [1–6]. Значительные успехи достигнуты в изучении поведения собственных точечных дефектов и таких примесей, как углерод, кислород, водород, которые могут вводиться в материал в процессе эпитаксиального роста слоев AlGaN и GaN [6]. При высокой плотности дислокаций в таких эпитаксиальных слоях надо так же учитывать, что собственные точечные дефекты и многие примеси могут декорировать дислокации, формируя целый спектр дефектов. В частности считается, что дислокации, имеющие краевую компоненту, отрицательно заряжены, в то время как чистые винтовые дислокации, ответственные за токи утечек, не заряжены [6, 7]. Комплексы вакансии галлия с тремя атомами кислорода, сегрегирующие на выходах винтовых дислокаций, нейтральны и могут стабилизировать поверхность, в то же время вакансии галлия с кислородом, образуя комплекс (V_Ga–O)^–2, могут формировать ГУ в n-GaN с энергией активации E_V + (1.1–1.2 эВ) [6].

Наблюдение с использованием микроскопа атомных сил (С-АСМ, conductive atomic force microscope) локальных участков высокой плотности дислокаций показали, что скопления краевых дислокаций окружены областью отрицательного заряда, а повышенная плотность винтовых дислокаций, как правило, приводит к более высоким токам утечки в гетероструктурах [7]. Надо учитывать, что процесс формирования современных НЕМТ и НЕМТ-МIS приборов – это сложный комплекс ряда технологических операций, включая и высокотемпературные, которые могут приводить к возникновению новых структурных дефектов с ГУ, а также могут приводить к трансформации дефектов, имеющихся в слоях и на границах раздела слоев. Поэтому представляет интерес исследование возможной трансформации дефектов гетероструктур в процессе формирования элементов НЕМТ. Для оценки изменения зарядового состояния дефектов в приборных структурах, сформированных на нитридных эпитаксиальных слоях, обычно используется метод С-V-характеристик при различных частотах, позволяющий оценивать распределение электрического заряда в объеме и на границах слоев гетероструктур. Для определения параметров ловушечных состояний, связанных с ГУ, используются токовая и емкостная спектроскопия глубоких уровней (DLTS), а также оптическая спектроскопия глубоких уровней (DLOS) [6, 8].

Цель данной работы – исследование особенностей С-V-характеристик областей затвор–сток AlGaN/GaN/SiC НЕМТ транзисторов с учетом их конструктивно-технологических особенностей и тестовых диодов Шоттки, сформированных в едином технологическом цикле с НЕМТ, а также влияние на емкостные характеристики дефектов с ГУ в активных областях исследуемых приборных структур.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследовались кристаллы мощных СВЧ-транзисторов с большой периферией затвора (long gate periphery) S- и Х-диапазона с длиной затвора 0.4 мкм, с пробивным напряжением сток–исток V_DS от 80 до 150 В, шириной затвора одного пальца – 400 мкм, количеством пальцев (fingers) (от 60 до 80) и планарным расположением контактных окон к областям исток, затвор, сток. Транзисторы отличались конструктивно-технологическими особенностями, в частности, расположением металлизированных отверстий выводов контактов к областям истока (рис. 1), конструкцией полевых электродов (FP).

Транзисторы с металлизированными выводами на обратную сторону структур, расположенными практически в активных областях приборов (рис. 1а), условно были обозначены как НЕМТ-1; транзисторы с металлизированными выводами, вынесенными из активных областей приборов (рис. 1б), были обозначены как НЕМТ-2. Транзисторы были изготовлены на гетероструктурах GaN/AlGaN/GaN, выращенных MOCVD-технологией на подложках SiC с ориентацией рабочих поверхностей (0001), с барьерным слоем AlGaN толщиной 180–200 мкм при мольной доле алюминия 0.26–0.3 и спейсером толщиной 20–25 Å. Гетероструктуры этих двух видов транзисторов отличались толщиной слоев GaN: транзисторы НЕМТ-1 имели толщину буферного слоя – 2–2.5 мкм, НЕМТ-2 – 1.5–1.7 мкм.

В качестве объектов исследования были выбраны также тестовые круглые структуры с диодом Шоттки. Такие тестовые структуры формировались на тех же гетероструктурах, что и исследуемые НЕМТ транзисторы и в том же технологическом процессе при напылении металлов затвора (Ni/Ti/Au). Омические контакты к тестовым диодам формировались одновременно с изготовлением омических контактов к областям истока и стока НЕМТ. Площадь тестовых БШ составляла 7 × 10^–5 см². В качестве пассивирующих слоев в исследуемых транзисторах и тестовых структурах использовались толстые слои Si₃N₄ и SiN_x.

В ходе исследования измерялись также НЕМТ-транзисторы с меньшими длиной (0.25 мкм), и шириной затвора (количеством пальцев от 6 до 40 штук).

Измерение вольт-фарадных характеристик проводилось на установке CSM/WIN System в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц, при планарном расположении измерительных зондов на контактных окнах транзисторов и тестовых элементов. Емкостные зависимости снимались как по параллельной (индекс-р), так и по последовательной (индекс-s) схемам замещения с дополнительной оценкой изменения проводимости и сопротивления от частоты. При емкостных измерениях на кристаллах приборов записывались С-V-характеристики областей затвор–сток без приложения напряжения между истоком и стоком. Для некоторых исследуемых транзисторов С-V-характеристики записывались при разных температурах: 291, 323, 363, 473 K.

Методом емкостной релаксационной спектроскопии глубоких уровней исследовался спектр ГУ. Для выбора режима измерений спектра ГУ HEMT-структур и тестовых барьеров Шоттки измерялись C-V-характеристики при температурах 80, 300, 380 K.

При записи спектров DLTS использовалось стробирование сигнала релаксации емкости в моменты времени 4–8–16–32–64 мс при однократном сканировании по температуре. Энергия активации и сечение захвата определялись по зависимости Аррениуса. На основе C-V-характеристик выбиралось исходное смещение на структуре. Использовались импульсы инжекции с разной полярностью, так как возможны разные механизмы заполнения ловушек (туннелирование и др.) в зависимости от режима записи. Импульс инжекции имел длительность не более 89 мс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Практически у всех исследуемых транзисторов (С_мах от 2.5 до 75 пФ) на С-V-кривых в области перехода от обогащения к обеднению наблюдались ступенька и два участка изменения емкости с разными углами наклона кривой (рис. 2). Использование двух схем измерения С-V-характеристик показало совпадение величин емкости С_s и С_p (рис. 2) и отсутствие частотной дисперсии на верхнем плато в интервале напряжений от 0 до –1.5 В, что свидетельствует об отсутствии влияния на результаты этих измерения поверхностных состояний на границе раздела полупроводник/пассивация [9]. При измерении на низких частотах (<200 кГц) для многих транзисторов характерно появление на С_S-V-кривых дополнительных пиков (рис. 2а, 2в).

При охлаждении структур от Т_ком до Т_аз наблюдался сдвиг С-V-кривых в сторону положительных напряжений (рис. 3, кривые 1 и 2), что свидетельствует об уменьшении положительного заряда в барьерном слое или на границе AlGaN/GaN.

На тестовых БШ не наблюдается каких-либо перегибов на С-V-характеристиках при измерении на тех же частотах, что и транзисторные структуры (рис. 3, кривая 3). Охлаждение тестовых БШ до температуры азота приводило к более резкому наклону С-V-кривых и сдвигу кривых в сторону положительных значений напряжения.

Нагрев при измерениях от Т = 290 до 473 K в большинстве случаев приводил к незначительному изменению формы С-V-кривых (рис. 4а), за исключением участка со ступенькой на кривой (рис. 4а, вставка). У транзисторов НЕМТ-1 происходило резкое уменьшению изгиба С-V-кривой, так что углы наклона двух участков кривой (выше и ниже ступеньки) становились близки друг к другу (рис. 4б), при этом необходимо отметить, что максимальные изменения формы происходили на нижнем участке С-V-кривой (рис. 4б).

При исследовании методом DLTS в транзисторных структурах НЕМТ-1 и тестовых БШ наблюдались электронно-подобные ловушки с энергией активации 0.59–0.6 эВ и сечением захвата σ ≈ 1 × 10^–14 см² (рис. 5а, кривая 1). На спектрах пики электронных ловушек показаны с положительной полярностью, а дырочных с отрицательной. Перезарядка ловушек в НЕМТ-1 структурах наблюдалась при выборе режима со смещением, соответствующим положению вблизи ступеньки на C-V-характеристике (рис. 2) или ниже и с отрицательным импульсом инжекции, как и в работе [8]. В этом случае захват электронов на ловушки во время импульса может происходить при туннелировании электронов через барьерный слой или при их перемещении по дислокациям в барьерном слое [10].

Для транзисторов типа НЕМТ-2 в спектре DLTS наблюдался широкий пик, который, учитывая его положение по температуре, связан с той же ловушкой, что и в НЕМТ-1 и с другой ловушкой с пиком близким к первому, что не позволило их разделить (рис. 5а, кривые 2 и 3). Присутствие второго уровня в НЕМТ-2, по-видимому, определяется выбранным технологическим циклом и конструкцией прибора. При большом отрицательном импульсе напряжения наблюдалась также дырочная ловушка с энергией активации ≈1.1 эВ (рис. 5б, кривая 2) и существенное возрастание сигнала от электронных ловушек.

При подаче положительного импульса инжекции в транзисторных структурах наблюдался центр дырочного типа с анoмальным поведением. Положение пиков для этого центра при используемых в записи 4-х окнах скорости эмиссии практически совпадало по температуре (рис. 5б, кривые 3, 4, 5). Изменение режима записи (исходного смещения или длительности импульса инжекции) приводило к смещению пиков по температуре и изменению их амплитуды. Энергия активации в данном случае не постоянна, и релаксация емкости имеет не экспоненциальный характер. При использовании большого отрицательного смещения также наблюдался аномальный пик небольшой амплитуды (рис. 5б, кривая 5).

Такая же аномалия наблюдалась для отрицательного пика в спектре тестового БШ, но при отрицательном импульсе инжекции и при температуре около 100 К. При положительном импульсе инжекции у тестовых БШ появлялся положительный пик, соответствующий уровню с энергией 0.6 эВ близкому к наблюдаемому в структуре HЕМТ-1.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При измерении на тестовых БШ область пространственного заряда (W) может быть определена с помощью известной аппроксимации области обеднения:

где ε₀ – диэлектрическая постоянная вакуума, ε – диэлектрическая постоянная GaN при Т_ком, S – общая площадь затвора, C – емкость слоя AlGaN.

Расчет показывает, что в области верхнего плато при U_изм → 0 область пространственного заряда “перекрывает” весь барьерный слой, т.е. W = d_AlGaN. Говорить о глубине проникновения поля в объем кристалла транзисторных структур сложно, поскольку “пальцы” затвора транзистора включены параллельно друг другу, и образующееся общее электрическое поле под всем затвором может быть неоднородно. Использование стандартного расчета области объемного заряда будет неточным.

Методом DLTS обнаружены два глубоких центра – электронный и дырочный, а также электронный центр, пик от которого не удалось разделить с пиком центра с Е_а = 0.59–0.6 эВ у НЕМТ-2; этот пик также может быть связан с дислокационной структурой транзисторных кристаллов.

Отметим, что уровень электронной ловушки с Е_a = 0.59–0.6 эВ наблюдался и при смещении к более отрицательному напряжению относительно ступеньки на C-V-характеристике. По-видимому, связанные с этим уровнем дефекты, распределены в объеме GaN.

Перезарядка глубокой дырочной ловушки в спектре DLTS происходила при большом отрицательном импульсе напряжения (рис. 5, кривая 2, V_p = –7 В), вызывавшем, по-видимому, генерацию дырок в GaN и захват их ловушкой. При использовании импульса напряжения –3 В и начальном смещении –2.1 B пик ловушки не виден, т.е. напряжение импульса еще не достаточно для перезарядки центра. В таком случае при измерении С-V-характеристик необходимо приложить отрицательное напряжение U < –5 B, чтобы произошла презарядка данного дефекта. Эта точка на C-V-кривой попадает на нижнее плато, где наблюдать уровень невозможно. Таким образом, из зарегистрированных в спектре DLTS уровней, со ступенькой на С-V-кривых исследуемых НЕМТ-транзисторов, по-видимому, связаны дефекты с Е_a = 0.59–0.6 эВ.

Можно предположить, что наличие центра дырочного типа с анoмальным поведением связано с изменениями заселенности электронами уровней двумерного газа. Полярность сигнала релаксации соответствует тому, что положительный импульс напряжения обедняет слой 2DEG электронами, уменьшая ширину ОПЗ в GaN и увеличивая общую емкость структуры. Обеднение слоя двумерного газа может быть связано с туннелированием электронов в барьерный слой. После окончания импульса заселенность уровней в 2DEG восстанавливается, и емкость структуры релаксирует с положительной полярностью к равновесному значению.

Авторы работы [8] считают, что верхний участок С-V-кривой транзисторных структур до ступеньки (рис. 2) связан с дефектами в барьерном слое и у верхней границы канала двумерного газа (непосредственно на границе AlGaN/GaN), а нижний участок кривой – с нижней границей канала и прилегающей подканальной частью слоя GaN. Это предположение подтверждают результаты измерений С-V-характеристик транзисторных структур при нагреве: изменения формы С-V-кривых при нагреве до Т = 150–200°С происходят, в основном, или на участке, где при Т_ком присутствует ступенька на С-V-кривой (рис. 4а, вставка) или при сильном обеднении на нижнем участке С-V-кривой (рис. 4б). Восстановление С-V-кривых после нагрева происходит за время более 2–3-х часов, что свидетельствует об участии в процессе медленных состояний, связанных с дефектами в GaN. Появление непосредственно ступеньки, возможно, связано с моментом, когда ОПЗ распространяется в область канала двумерного газа.

Разница в спектре электронных состояний в исследуемых НЕМТ структурах связана с конструкторско-технологическими особенностями изготовления приборов, а также с наличием разных поставщиков исходных гетероструктур. Электронная ловушка с энергией активации Е_а = (0.59–0.6 эВ) хорошо известный центр, часто наблюдаемый в структурах AlGaN/GaN. Ловушка с Е_а = 0.6 эВ чаще всего наблюдается в n-типе GaN [6, 11]. В данной работе наиболее четко эта ловушка фиксируется в НЕМТ-1. В литературе упоминается так же дырочная ловушка с энергией активации ≈1 эВ [6]. Появление других ловушечных центров в НЕМТ-2 (рис. 5б) объясняется разницей технологии и конструкции приборов, например, изменением расположения металлизированных отверстий в приборе НЕМТ-2 по сравнению с НЕМТ-1 (рис. 1).

В тестовых БШ методом DLTS наблюдался тот же уровень с энергией 0.6 эВ, что и в транзисторных структурах, и аномальный пик, который появлялся при более низких температурах (100 К). Однако они наблюдались при импульсах инжекции с другой полярностью по сравнению с HEMT структурами. Это свидетельствует о различных механизмах заполнения центров в БШ и HEMT. Кроме того, в отличие от транзисторных структур, у тестовых БШ на C-V-кривых не наблюдалось характерных ступенек, которые не появлялись также и при охлаждении или нагреве образцов.

Появление характерных ступенек на С-V-характеристиках при измерениях транзисторных структур и отсутствие их у тестовых БШ связано, по нашему мнению, с малыми размерами и формой затвора транзисторных структур. Дело в том, что на краях затвора возникают сильные электрические поля (краевые эффекты из-за соизмеримости длины затвора и толщины барьерного слоя). Известно, что максимальные продольные поля в объеме НЕМТ транзисторов возникают при приложении обратного смещения на краю затвора, обращенного к стоку [12], что может приводить к перезарядке дефектов с ГУ, расположенных в зоне действия поля. На факт возможной перезарядки дефектов на краю затвора из-за возникновения высоких электрических полей при обратном смещении уже указывали некоторые исследователи [13]. Более того, под затвором может быть и более высокая плотность дефектов, формирующих ГУ, например, из-за действия обратного пьезоэффекта в процесс импульсного воздействия при работе транзисторов.

Разный наклон на двух участках С-V-кривой у транзисторных структур можно объяснить еще и тем, что в процессе измерения при сильном обеднении может изменяться электрическая цепочка схемы замещения, связанная с емкостями, возникающими при перезарядке ловушечных центров (рис. 6). В частности, в работе [13] предложено схематичное изображение поперечного сечения края затвора при сильном обеднении с указанием группы дополнительных емкостей, которые могут возникать в результате сложного перераспределения электрического заряда на краю затвора транзистора. Вся эта сложная картина развертывается практически только под затвором [13, 14].

В случае измерения C-V-характеристик тестовых диодов Шоттки из-за выбранной конструкции тестов и несоизмеримости продольных и поперечных размеров (диаметр БШ – 100 мкм, а толщины слоев гетероструктуры – наномикроны, в частности, толщина барьерного слоя AlGaN – 200 Å) при приложении в процессе измерения тех же по величине напряжений не возникает сильных электрических полей (краевые эффекты не играют определяющую роль) и, скорее всего, этим объясняется отсутствие ступеньки при измерении C-V-характеристик барьеров Шоттки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом DLTS для всех исследуемых структур, включая тестовые БШ, обнаружены электронно-подобная ловушка с энергией активации 0.59–0.6 эВ и дырочная ловушка с энергией активации ≈1.1 эВ, находящиеся, скорее всего, в буферном слое. Экспериментально показано, что набор дефектов с ГУ в транзисторных структурах определяется их технологически-конструкторскими особенностями и особенностями исходных гетероструктур.

Ступенька на С-V-кривых НЕМТ-транзисторов, в отличие от тестовых БШ, связана с ролью больших электрических полей, которые возникают на краю затвора транзисторных структур при приложении одинаковых по величине напряжений на затвор транзистора и БШ.

Центр дырочного типа с аномальным поведением при измерении методом DLTS, как у транзисторных структур, так и у тестовых БШ, по нашему мнению, связан с особенностями процессов в слое двумерного электронного газа на границе AlGaN/GaN и требует дальнейших исследований.