Медленные ловушки заряда на границе полевых транзисторов и дрейф их параметров

Полевые транзисторы остаются сердцем любой современной схемы, но их поведение со временем часто меняется незаметно. На границе между каналом и подзатворным диэлектриком существуют дефекты, которые захватывают заряд и удерживают его часами. Эти медленные ловушки вызывают постепенный сдвиг порогового напряжения, падение подвижности и гистерезис характеристик. Инженеры сталкиваются с этим эффектом в кремниевых, карбид-кремниевых и нитрид-галлиевых приборах, где он ограничивает надёжность. Разберём, почему поверхностные состояния превращаются в такие ловушки и как именно они портят параметры.

Природа поверхностных состояний на интерфейсе полупроводник-диэлектрик

Граница раздела в любом полевом транзисторе никогда не бывает идеальной. В кремниевом МОП-транзисторе это оборванные связи атомов кремния, которые в процессе изготовления частично пассивируют водородом. Плотность интерфейсных состояний Dit лежит обычно в пределах от 10 в степени 10 до 10 в степени 12 на квадратный сантиметр на электрон-вольт. Эти уровни разбросаны по запрещённой зоне и могут захватывать электроны или дырки в зависимости от положения уровня Ферми относительно них.

В приборах на карбиде кремния или нитриде галлия задача усложняется. Высокая температура роста и различие кристаллических решёток приводят к повышенной плотности дефектов. Поверхностные состояния здесь выступают как энергетические ямы разной глубины. Быстрые из них обмениваются носителями за наносекунды и влияют в основном на рассеяние. Медленные же требуют туннелирования через барьер оксида, поэтому их время отклика растягивается до миллисекунд и даже часов. Именно такие состояния становятся источником долгосрочного дрейфа.

Различия быстрых интерфейсных и медленных граничных ловушек

Быстрые интерфейсные ловушки расположены прямо на атомарной границе. Они мгновенно реагируют на изменение напряжения затвора и вызывают дополнительное рассеяние носителей. Подвижность падает пропорционально плотности заряженных центров. Медленные граничные ловушки, известные как border traps, сидят в объёме диэлектрика на расстоянии одного-двух нанометров от интерфейса. Заряд попадает туда и выходит обратно только через квантовое туннелирование.

Время туннелирования описывается приближённой зависимостью τ ≈ τ0 exp(2κx), где κ определяется эффективной массой и высотой барьера, а x расстояние до интерфейса. Для типичных оксидов кремния или алюминия это даёт спектр времён от 10 в минус третьей до 10 в третьей секунды. В отличие от быстрых ловушек, которые успевают следовать за быстрыми импульсами, медленные создают память в приборе. После снятия напряжения заряд остаётся и продолжает влиять на канал.

Механизмы захвата и освобождения заряда в медленных ловушках

Под отрицательным смещением на затворе в p-канальных транзисторах дырки из канала туннелируют в ловушки и захватываются. Температура ускоряет процесс, поскольку добавляет тепловую энергию для преодоления барьера. В моделях NBTI преобладает захват дырок в предсуществующие дефекты оксида, а не только разрыв связей Si-H. Освобождение происходит при смене полярности или длительном отдыхе, но медленно.

В нитрид-галлиевых HEMT поверхностные ловушки на границе пассивации и барьера захватывают горячие электроны при высоком поле сток-затвор. Это приводит к обеднению двумерного электронного газа и коллапсу тока. Время восстановления растягивается, потому что распределение энергий активации и сечений захвата широко. Математически кинетика описывается растянутой экспонентой exp(-(t/τ0)^β), где β меньше единицы указывает на разброс параметров ловушек.

Влияние на пороговое напряжение подвижность и динамические характеристики

Захваченный положительный заряд в оксиде меняет эффективное поле затвора. Сдвиг порогового напряжения ΔVth равен q Ntrap / Cox, где Cox удельная ёмкость затвора. В реальных условиях за часы работы при 125 градусах Цельсия сдвиг может достигать 50-200 милливольт. Подвижность снижается из-за кулоновского рассеяния на заряженных центрах: эффективная μ уменьшается как 1 / (1 + α Ntrap), где α коэффициент рассеяния.

В высокоскоростных схемах гистерезис приводит к разбросу времени переключения. В силовых приборах на карбиде кремния медленные ловушки вызывают заметный дрейф сопротивления во включённом состоянии. Многие разработчики замечали, как после длительного включения под нагрузкой ток постепенно падает, а потом медленно восстанавливается при отключении. Это прямое следствие медленного освобождения заряда.

Температурная и временная зависимость дрейфа параметров

Нестабильность под действием смещения и температуры следует степенному закону ΔVth ~ A t^n, где показатель n обычно лежит между 0,15 и 0,25. Энергия активации для разных ловушек варьируется от 0,1 до 0,8 электрон-вольт. При повышении температуры от 25 до 150 градусов скорость дрейфа растёт экспоненциально. Восстановление тоже ускоряется теплом, но не полностью компенсирует накопленный эффект.

В циклических режимах быстрые ловушки успевают релаксировать за каждый цикл, а медленные накапливают заряд шаг за шагом. В результате после тысяч часов работы параметры прибора могут уйти за пределы допуска, хотя в начале тестов всё выглядело идеально. Контраст между лабораторными импульсными измерениями и реальной долговременной эксплуатацией особенно заметен в автомобильной и промышленной электронике.

Способы снижения влияния медленных ловушек в современных технологиях

Производители борются с проблемой на уровне материала и технологии. Пассивация водородом или фтором снижает плотность состояний на порядок. В высокок-диэлектриках добавляют барьерные слои, чтобы уменьшить туннелирование. Для нитрида галлия оптимальные пассивирующие плёнки нитрида кремния подавляют поверхностные ловушки и уменьшают коллапс тока.

Измерения проводят методами зарядовой накачки, гистерезиса C-V и импульсных вольт-амперных характеристик. Эти техники позволяют разделить вклад быстрых и медленных компонентов. Вот ключевые приёмы снижения плотности ловушек

• отжиг в водородной атмосфере после формирования затвора
• выбор диэлектрика с минимальным содержанием кислородных вакансий
• плазменная обработка поверхности перед осаждением
• введение азота в оксид для стабилизации связей
• использование многослойных стеков затвора

Благодаря таким мерам в нанометровых технологиях дрейф удаётся удерживать в пределах нескольких милливольт за годы работы.

В конечном счёте поверхностные состояния и медленные ловушки заряда остаются неизбежной частью физики интерфейса. Понимание их механизмов даёт инженерам инструменты для предсказания и минимизации дрейфа. Когда эти эффекты учитывают уже на этапе выбора материала и конструкции, полевые транзисторы работают стабильно десятилетиями. Это превращает потенциальную слабость границы в управляемый фактор, который больше не ограничивает надёжность, а позволяет создавать по-настоящему долговечные устройства для самых требовательных применений.