gan基高电子迁移率场效应管的可靠性研究

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1、GaN基高电子迁移率场效应管的可靠性研究　　摘要：虽然GaN基高电子迁移率场效应管（HEMT）在高频大功率器件方面具有突出的优势并已经在应用领域取得了重要的进展，但由于GaN基HEMT器件的材料缺陷密度高、高电场工作环境、GaN基异质结特有的强极化效应以及工艺复杂等问题，使得GaN基HEMT的可靠性问题十分突出。这些问题导致现有GaN基HEMT器件的实际表现一直与其理论值有一定差距。因此，要想实现GaN基HEMT器件全面、广泛的商业应用，必须对其可靠性做深入的研究分析。在该文中，我们利用不同的测试方法，从不同的角度对AlG

2、aN/GaNHEMT的可靠性问题进行了研究。首先，我们观察并讨论了AlGaN/GaNHEMT器件输运过程中由载流子的俘获导致的Kink效应。实验表明：载流子俘获过程是由高场诱导的栅极电子注入到栅极下AlGaN势垒层中深能级的过程；载流子的去俘获过程则是由沟道中的热电子碰撞离化被俘获的电子引起的。其次，我们对GaN基HEMT器件进行了阶梯电压应力可靠性测试，并观察到了一个临界应力电压，超过这个临界电压后AlGaN/GaNHEMT可以从之前的低电压应力引起的退化中逐渐恢复。研究发现：低电压应力引起的器件的退化是由电子在表面态或

3、者体缺陷中被俘获引起的；器件性能的恢复则是由于电场诱导的载流子去俘获机制。最后，我们利用不同的测试方法详细分析了关态下AlGaN/GaNHEMT的击穿特性和电流传输机制。我们在三端测试中观察到了与缓冲层相关的AlGaN/GaN4HEMT的过早硬击穿现象；然后我们利用漏极注入测试方法验证了源-漏间缓冲层漏电的存在。分析结果表明缓冲层漏电是由电场引起的势垒下降、能带弯曲和缓冲层缺陷共同决定的。在电场足够高的时候，缓冲层漏电可以引起AlGaN/GaNHEMT过早发生硬击穿。　　关键词：氮化镓AlGaN/GaN高电子迁移率场效应管

4、可靠性载流子俘获/去俘获击穿机制　　Abstract：GaN-basedhigh-electron-mobilitytransistors（HEMTs）arethemostpromisingcandidateforhigh-frequencyandhigh-powermicrowaveapplicationsduetotheintrinsicmaterialadvantangesofGaN-basedsemiconductors.However，imperfectmaterialquality，strongpolariza

5、tioneffect，highfieldoperationenviromentandvariationofprocessingtechnologiesmakethereliabilityproblemofGaN-basedHEMTsverycomplicated.Asaresult，GaN-basedHEMTshaveactualperformancenotuptotheirideallevel.Thesereliabilitychallengeswillhindertheextensivecommercialapplic

6、ationsofGaN-basedHEMTs.Inthiswork，westudiedthereliabilitybehaviorsofAlGaN/GaNHEMTsfromdifferentperspectives.Firstly，westudiedacarrier-trappingrelatedanomalouskinkeffectinAlGaN/GaNHEMTs.Thekinkisfoundlargelycausedbytrappingelectronsfromthegateleakagecurrentbydeeple

7、velswithintheAlGaNbarrierathighdrainbias，whilethecarriertrappingprocessmainlyoccuringwithintheAlGaNbarrierunderthegatehastobeinducedbyahighdrainbiasleakagecurrent.4ThecarrierdetrappingprocessiscausedbyhotelectronsinjectedintotheAlGaNbarrierwhich“knockoff”thetrappe

8、delectrons.Secondly，weobservedacriticalstressvoltageinthestepstresstests，beyondwhichtheAlGaN/GaNHEMTsstarttorecoverfromdraincurrentslumpinducedbythelowe