Исследование эффектов деградации из‑за напряжения на затворе в GaN-on-Si HEMT методом анализа низкочастотного шума

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN) обладают превосходными характеристиками по сравнению с транзисторами на кремнии (Si) и арсениде галлия (GaAs). GaN — полупроводник с широкой запрещённой зоной, что позволяет работать при более высоких напряжениях пробоя и мощностях. В отличие от традиционных полупроводниковых приборов, канал GaN HEMT не легирован и полагается на пьезоэлектрический эффект на гетеропереходе GaN/алюминия-галлия нитрида (AlGaN) для формирования проводящего канала в виде квантовой ямы, известной как двумерный электронный газ (2DEG). Поскольку GaN HEMT не легированы, эти приборы имеют более высокую подвижность электронов, что важно для высокочастотной работы. Однако со временем и при эксплуатации эти устройства деградируют и механизмы деградации плохо изучены. В данной работе используется низкочастотный шум (LFN) как метод анализа изменений и механизмов деградации GaN-on-Si устройств, вызванных напряжением на затворе. LFN является полезным инструментом для исследования областей прибора, недоступных прямыми измерениями. Генерация LFN в GaN HEMT основана на теории флуктуаций носителей для формирования 1/f шума, согласно которой флуктуации числа носителей заряда приводят к флуктуациям проводимости и образованию лоренцевых спектров шума. Суммирование лоренцевых спектров от множества ловушек приводит к 1/f шуму и шуму типа случайного телеграфного сигнала (RTS). Основной причиной флуктуаций носителей являются электронные ловушки вблизи 2DEG и в объёме AlGaN. Эти ловушки возникают естественно из‑за дислокаций и примесей, появляющихся в процессе изготовления, но новые ловушки могут образовываться из‑за обратного пьезоэлектрического эффекта при нагрузке затвора. В работе вводятся понятия шума и предлагается схема для смещения приборов и одновременного измерения LFN на затворе и стоке. Выполняются три измерения до и после постоянного напряжения на затvore при трёх различных температурах: DC‑характеристика, измерения емкостно‑напряжностной зависимости (C–V) и измерения LFN. DC‑характеристики показывают увеличение утечки на затворе после стресса, вызванное увеличением числа ловушек, что согласуется с туннелированием, опосредованным ловушками. Однако утечка по стоку и истоку различается до и после стресса, что позволяет сделать вывод о большей чувствительности стороны истока затвора к стрессу. Утечка на стороне стока также чувствительна к температуре из‑за термоэлектронного туннелирования, опосредованного ловушками. Расчёты параметра Хуга (Hooge) согласуются с предыдущими исследованиями. Результаты LFN показывают увеличение мощности шума на затворе и стоке, S_Ig(f) и S_Id(f), в соответствии с увеличением тока утечки на затворе.