Атомно-силовые микроскопы серии XE для оценки надежности GaN транзисторов с высокой подвижностью электронов

ИЮЛ302019

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT / ВПЭТ) на основе AlGaN/GaN являются многообещающими устройствами для будущих применений с высокой мощностью и высокой скоростью благодаря их высокому напряжению пробоя, высокой плотности тока и высоким температурным свойствам [1]. Однако высокое напряжение пробоя и ток создают большие пьезоэлектрические напряжения [2] и высокую температуру [3], что ставит под сомнение общее понимание надежности таких ВПЭТ, поскольку обычно это приводит к выходу устройства из строя. Высокая температура, создаваемая внутри рабочего устройства, сочетается с другими эффектами, такими как вызванное полем механическое напряжение, которое возникает в различных локализованных областях и затрудняет понимание и прогнозирование неисправности устройства.

Обзор систем серии XE

В данной статье рассматривается работа на атомно-силовом микроскопе (АСМ) модели XE7 компании park Systems в режиме Enhanced EFM (Улучшенная электрическая силовая микроскопия). Высокое горизонтальное разрешение позволяет исследовать сильно локализованные области отказов с небольшими размерами самого устройства. Сочетание картографического отображения распределения относительного потенциала по поверхности (Кельвин-зондовая силовая микроскопия (KPFM)) и катодолюминесцентной спектроскопии с разрешением по глубине (DRCLS)  позволяет точно исследовать механизмы генерации дефектов или даже наличие отказов в AlGaN/GaN транзисторах. Кроме того, бесконтактный режим измерений True Non-Contact всегда поддерживает между кантилевером и образцом определенное расстояние – всего несколько нанометров, что позволяет проводить измерения, которые не разрушают поверхность или ее характерные особенности. Эта возможность особенно важна для получения точной электронной и морфологической информации вблизи дефектов поверхности.

Изменение поверхностного потенциала ВПЭТ под воздействием напряжения

Ранее уже было показано, что атомно-силовые микроскопы серии XE имеют превосходное пространственное разрешение для исследования одномерных полупроводниковых структур ZnO [4]. В данном исследовании использовался АСМ XE7 в режимах KPFM и DRCLS, чтобы исследовать надежность самых современных AlGaN/GaN транзисторов под напряжением в закрытом состоянии (высокое напряжение, низкий ток (OFF-state)). Используя эту технику в наномасштабе, возможно измерить, где и как вызванное электрическим полем напряжение ухудшает транзистор, так и электрически активные дефекты, возникающие в локальных областях деградации, что позволяет прогнозировать, где произойдет отказ устройства.

На рисунке 1 показаны DC-IV и I_G-OFF (ВАХ) кривые до и после приложения напряжения в закрытом состоянии. Ток утечки затвора (I_G-OFF) увеличивается в 2.6 раз вместе с V_DG, резко увеличиваясь выше критического напряжения 28 В после приложения напряжения в закрытом состоянии. Уменьшение тока утечки (I_DS) и увеличение I_G-OFF указывают на ухудшение рабочих характеристик устройства из-за приложения напряжения в закрытом состоянии.

Рис. 1. Выходные характеристики постоянного тока и I_G-OFF как функция приложенного напряжения в закрытом состоянии V_DS = 10 – 30 В и V_GS = -6 В. На внутренней вставке показаны ВАХ характеристики (DC-IV) до и после воздействия напряжением [5].

С повышением напряжения в закрытом состоянии метод KPFM позволяет обнаруживать микронные области с более низким потенциалом (энергия Ферми (E_F)). На рисунке 2 представлены результаты KPFM и АСМ для затвора (G), стока (D) и истока (S) для двух участков AlGaN/GaN транзистора без пассивации поверхности. Области между G-D и G-S определяются как внешний сток и исток соответственно. Изображения KPFM показывают значительное развитие поверхностного потенциала с увеличением напряжения V_DS, так как участки с низким поверхностным потенциалом начинают расти. Первоначально, область с самым низким потенциалом пролегает вдоль и с обеих сторон затвора. Между значениями V_DG = 24 и 32 В область с самым низким потенциалом сдвигается к краю затвора со стороны стока. По мере дальнейшего увеличения V_DG эта область (отмечена черным пунктирным кругом) расширяется и пролегает от края затвора через внешнюю область стока. Потенциал поверхности в этой расширенной области уменьшается с 0.4 В до -1.6 В. Морфологических изменений поверхности во время изменений потенциала от края прямоугольного затвора до стока обнаружено не было.

Рис. 2. KPFM результаты, на которых показано изменение поверхностного потенциала при приложении напряжении в закрытом состоянии в двух типовых областях AlGaN/GaN ВПЭТ. Также справа предоставлены топографические изображения (AFM) данных областей при напряжении V_DG = 36 В. Пунктирные круги показывают области, где потенциалы меняются быстрее [5].

Увеличение V_DS в закрытом состоянии приводит к поломке затвора, образованию кратера на расстоянии 15 мкм от начала области внешнего стока и, как следствие, к отказу устройства. Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) до и после воздействия напряжения в закрытом состоянии, показаны на рисунке 3. Сопоставляя результаты данных о потенциале и морфологии с электрическим напряжением, можно связать отказ устройства с более низким поверхностным потенциалом. По мере увеличения напряжения свойства устройства постепенно ухудшаются в сторону отказа – быстрее для V_DG выше критического напряжения 28 В. И хотя до отказа устройства не наблюдается изменений в морфологии, поверхностный потенциал резко изменяется в зависимости от напряжения. Кроме того, отказ происходит вблизи области наименьшего потенциала. Отказ определяется здесь как кратер во внешней области стока. Аналогично, чем ниже поверхностный потенциал, тем более вероятно возникновение отказа в этой области. Следовательно, поверхностный потенциал является сильным индикатором неисправности устройства: (1) области с низким потенциалом (например, со значением на 1.5 эВ ниже) являются вероятными точками отказа; (2) область с наименьшим потенциалом, вероятно, является начальной точкой отказа; (3) чем ниже потенциал, тем ближе транзистор к отказу.

Рис. 3. СЭМ изображения, показывающие отказ устройства при увеличении напряжения в закрытом состоянии: устройство полностью (слева) и увеличенный вид области, выделенной черным пунктирным прямоугольником, после отказа устройства [5].

Результат катодолюминесцентного анализа (DRCLS) в одной из самых низких областей поверхностного потенциала (синяя точка 9 на рис. 4) во внешней области стока после приложенного напряжения в закрытом состоянии не только показывает 3.45 эВ вблизи границы энергетической зоны излучения (NBE), но также проявляются 2.2 эВ (желтая полоса (YB)) и 2.8–3.0 эВ (синяя полоса (BB)). На рис. 4 также показано, что поверхностный потенциал очень хорошо согласуется с отношением YB/NBE, т. е. чем ниже поверхностный потенциал, тем выше отношение YB/NBE. Образование зон с низким поверхностным потенциалом было вызвано генерацией электрически активных дефектов из-за приложенного напряжения V_DS. Эти дефекты будут смещать положение E_F  и, следовательно, влиять на поверхностный потенциал, что может быть обнаружено методом KPFM. Более полный анализ последствий отказов (FEA) и подробное объяснение процессов может быть получено в соответствующей литературе [5].

Рис. 4. Поверхностный потенциал и среднее отношение интенсивности YB/NBE увеличиваются совместно с прикладываемым напряжением в закрытом состоянии. Отношение YB/NBE больше всего увеличивается в областях с более низким потенциалом 6, 8, 9 и 10. Участки с большим потенциалом отображают более медленные изменения. Области 1 и 2 соответствуют внешнему стоку и краю затвора со стороны стока в реперном (эталонном) устройстве без напряжения [5].

Заключение

Возможность одновременного отображения как топографических, так и электронных свойств на уровне наномасштабов является не только очень мощной методологией для понимания основ физики материалов, но также очень полезна при исследовании структур полупроводниковых устройств и механизмов их разрушения и отказов.

В данной статье было продемонстрировано влияние изменения поверхностного потенциала на ВПЭТ транзистор в закрытом состоянии, приводящее, в конечном итоге, к отказу устройства. Области с низким потенциалом появляются и затем расширяются во внешнюю область стока, что указывает на то, где появляются электрически активные дефекты и где происходит отказ устройства. Вероятно, область с самым низким поверхностным потенциалом является причиной отказа устройства из-за высокой плотности дефектов. Благодаря превосходному пространственному разрешению и чувствительности в режиме KPFM, атомно-силовой микроскоп XE7 можно использовать для исследования проблем и оценки надежности транзисторов с высокой подвижностью электронов без длительных испытаний.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park ХЕ7

Ссылки

1. Y. F. Wu, D. Kapolnek, J. P. Ibbetson, P. Parikh, B. P. Keller, and U. K. Mishra, IEEE Trans. Electron Dev.,48, 586 (2001)
2. J. A. del Alamo and J. Joh, Microelectron Reliab.,49, 1200 (2009)
3. C.-H. Lin, T. A. Merz, D. R. Doutt, M. J. Hetzer, J. Joh, J. A. del Alamo, U. K. Mishra, and L. J. Brillson, Appl. Phys. Lett.,95, 033510 (2009)
4. T. A. Merz, D.R. Doutt, T. Bolton, Y. Dong, and L.J. Brillson, Surface Science (Letters),605, L20 (2011)
5. C.-H. Lin, D. R. Doutt, U. K. Mishra, T. A. Merz, and L. J. Brillson, Appl. Phys. Lett., 97, 223502–1 (2010)