偏置增强的缺陷发射导致AlGaN/GaN技术导通电阻退化

《Electronics》：Bias-Increased Trap Emission Underlying the On-Resistance Degradation of AlGaN/GaN Technology

　　

研究人员提出了一项关于AlGaN/GaN基技术中导通电阻（R_on）退化的实验与数值研究。研究人员采用传输线法（TLM）结构进行背偏压（Back-Bias, BE）测量，以探究电流退化机制。观测到的TLM电流崩塌表现出阿伦尼乌斯（Arrhenius）行为，与缓冲层中的陷阱相关。值得注意的是，崩塌的衰减时间随施加偏压的增加而呈下降趋势，研究人员对此进行了研究并将其新解释为泊伦克尔（Poole-Frenkel, PF）偏置增强缺陷发射的特征。研究人员讨论并实现了一种有效模型用于TCAD（Technology Computer-Aided Design）仿真以支持实验发现。该机制不仅为观测到的退化趋势的温度和施加电压依赖性提供了理论依据，还能解释文献中报告的AlGaN/GaN技术缓冲层中受主陷阱激活能的展宽现象。

## 研究背景与问题提出

氮化镓（GaN）基功率电子技术因其优异的物理特性，在快速开关中高压应用领域展现出巨大潜力。然而，这些器件在实际应用中仍面临性能退化问题的困扰，其中导通电阻退化即开关过程中电流随时间减少的现象尤为关键。理解这一现象背后的物理机制对GaN技术的进步至关重要。

研究人员聚焦于器件电流崩塌的物理机制，特别是由非零衬底偏压引起的电流崩塌。这类背效应（BE）测量对于检验器件在常见应用条件下的响应具有重要价值。已有研究将电流崩塌归因于缓冲层中碳掺杂引入的缺陷动态，其中碳原子在价带（VB）上方约0.9 eV处产生受主能级。该描述得到实验和模拟研究的支持，与GaN缓冲层中碳掺入的物理表征一致。然而，近期研究发现类似测试显示出不同的热行为，电流崩塌的激活能约在0.4-0.6 eV范围内，这与"仅由0.9 eV碳受主缺陷导致退化"的单一缺陷场景存在矛盾。这种激活能的展宽现象动摇了原有描述的可靠性，也为基于输运现象而非缺陷动力学的替代解释提供了空间。但这些输运机制描述尚不成熟，难以全面解释所有观测现象。

## 研究目的与方法

研究人员旨在识别电流退化的物理机制，系统研究崩塌特征时间对温度和偏压的依赖性，并构建新的实验解释框架。研究工作主要在TLM结构上进行BE测量，采用拉伸指数函数拟合电流瞬态以提取衰减时间，进而分析其温度和偏压依赖性。为验证提出的物理图像，研究人员采用TCAD工具进行数值模拟，建立包含0.9 eV受主缺陷和PF效应的简化一维AlGaN/GaN模型。

## 研究结果

**电流崩塌的温度依赖性**：研究人员在六种TLM结构上进行了测量，温度范围涵盖80°C至175°C，背偏压设置为?100 V至?300 V。电流瞬态采用拉伸指数定律拟合，衰减时间提取作为特征参数。结果显示，对于所考虑的背偏压值，衰减时间的温度依赖性呈现出阿伦尼乌斯行为，这与涉及缺陷的过程一致。然而，提取的激活能约为0.4 eV，与0.9 eV的碳受主缺陷能级不符。

**电流崩塌的偏压依赖性**：研究人员进一步考察了衬底偏压对衰减时间的影响，发现陷阱能级明显依赖于施加电压。随着背偏压从?100 V增加至?300 V，激活能从0.9 eV附近呈平方根趋势下降至接近0.4 eV。这种偏压依赖性导致电流崩塌随电压增加而加速。研究人员采用PF效应描述这一行为，即外加电场增强了缺陷的发射率，表现为缺陷能量相对于其名义值的表观降低。

**TCAD模拟验证**：研究人员构建了高度简化的二维模型，包含AlGaN/GaN异质结和3 μm厚的缓冲层，考虑了极化效应、漂移扩散输运、表面态以及动态缺陷模型。模拟结果显示，包含PF效应的模型能够再现沟道耗尽现象，以及电流崩塌对√V_BB的依赖性。模拟得到的激活能与√V_BB呈线性关系，定性符合偏压加速发射的预测。

## 讨论与结论

研究人员提出的增强模型能够有效解释文献中报告的激活能漂移现象。在该框架下，阿伦尼乌斯能量被重新诠释为仅在外电场为零时对应实际缺陷能量的拟合参数，当缺陷处于非零偏压环境中时其值降低。这一描述为基于碳受主能级的简单统一模型提供了可能，避免了引入额外的输运机制。

研究人员指出，该工作旨在为BE退化机制的深入研究奠定基础。尽管PF发射已在p-GaN HEMTs等器件中有所研究，但其在简单结构BE测试中的孤立影响及其解释激活能漂移的潜力尚未得到充分关注。研究人员强调，当前结论尚需更大样本量的实验验证，以及更完全标定的TCAD定量研究。此外，采用更选择性外延结构的类似实验将有助于更清晰地界定PF机制与替代输运现象的适用范围。未来研究还应考虑将BE测试与其他测试手段相结合，以更精确地定义所提描述的边界条件，以及缓冲层中孔穴发射机制的普遍有效性。

## 研究结论翻译

本研究旨在扩展描述AlGaN/GaN技术中导通电阻退化物理机制的模型。研究人员在TLM结构上进行了变温和变背偏压的BE测量，观测并分析了电流崩塌的温度和电压依赖性。测量结果显示，电流崩塌的热行为遵循GaN缓冲层中碳掺入产生缺陷的动力学规律。首次在BE实验中观测到的不同背偏压下陷阱能级的展宽，被新解释为与PF效应相关的偏置增强缺陷发射的表征。研究人员首次指出，该机制可在简单统一模型框架内解释文献中类似测试报告的激活能范围。最后，研究表明这一描述可由一维TCAD模拟在基本设置中重现，数值结果与实验数据定性一致，为所提描述的合理性提供了数值支持。

该增强模型似乎能够解释文献中报告的电流崩塌激活能漂移，为基于输运机制的解释提供了可行的替代方案。尽管基于输运机制的竞争描述能够解释若干选定实验中的观测证据，但它们似乎尚未能在一致框架内 accommodate 来自不同测试的观测。本研究表明，基于碳受主能级的模型可以实现简洁而完整的描述。虽然PF发射已在GaN器件中有所研究，此前工作仍未对BE测试中其孤立影响进行充分聚焦的物理研究。所提描述能够解释测量结果，并得到TCAD分析的定性支持。这为电流崩塌物理的一致描述提供了初步证据，并为重要改进奠定了基础，这些改进将有助于增强讨论的可靠性。需要更强有力的实验工作来验证所提结论，以应对物理变异性。此外，在更具选择性的外延结构上进行类似实验将有助于更清晰地界定PF机制与替代输运现象的界限。完全标定的TCAD研究是自然的下一步，因为使用现有基本模拟设置无法实现所提模型的精确定量验证。在改进的TCAD模型中，有望在PF增强孔穴发射框架内完全重现电流崩塌，并实现模拟与测量之间关于陷阱能量电压依赖性及退化行为的定量一致。