algan2fgan高电子迁移率晶体管可靠性与新结构的分析与设计

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1、摘要摘要氮化镓基高电子迁移率晶体管在微波毫米波领域和功率器件领域具有十分重要的应用价值。国内外二十余年的研究使得GaNHEMT技术日趋成熟，然而仍存在一系列的问题亟待解决，以期进一步提高GaNHEMT器件的性能。本论文主要围绕其中两个重要问题而展开：一是AlGaN/GaNHEMT器件的跨导下降，也即跨导非线性问题；二是电场线集中于栅极边缘使得器件耐压能力受限的问题。本论文针对文献中普遍存在的AlGaN/GaNHEMT跨导非线性问题，对AlGaN/GaNHEMT样品进行了系统的直流和脉冲I-V测试，观察到在不同测试方法下跨导线性度存在明显的差异。基于

2、该实验现象，提出了栅下势垒层区域中的类受主态陷阱是造成AlGaN/GaNHEMTs跨导非线性的原因。建立了一个基于陷阱充放电的物理模型，通过二维数值仿真，该模型得以验证。仿真计算表明，当19-3栅下类受主陷阱浓度为1.2×10cm且其能级深度为导带下0.5eV时，仿真所得器件跨导的非线性特征与实验数据相一致。本论文针对AlGaN/GaNHEMT器件中电场线集中于栅极边缘导致器件发生提前击穿的问题，提出了一种AlGaN/GaNHEMT器件结构以缓解电场集中现象，该结构利用了横向高-K/低-K复合介质作为器件的表面钝化层。复合钝化层由高-K钝化层中嵌入

3、若干低-K介质块形成。因为介电常数在高-K/低-K界面处的不连续性，导致钝化层中横向电场存在一个跃变，从而使得其正下方的电子沟道中存在一个横向电场的尖峰，起到调制沟道电场分布的作用。由此可以达到提高器件击穿电压的目的。与典型的场板耐压结构相比，高-K/低-K复合钝化层不会引入寄生电容，从而在提高耐压的同时可以保持AlGaN/GaNHEMT的高频工作优势。根据该复合钝化层的物理机理，本文给出了若干钝化层结构设计原则。基于这些设计原则，本文给出了一个具体的设计实例。该实例运用高-K/低-K复合钝化层可以达到1400V的耐压结果，相比之下，常规高-K钝化

4、层结构和常规低-K钝化层结构耐压值分别为917V和288V。关键词：AlGaN/GaNHEMT，跨导非线性，类受主陷阱，高/低K复合钝化层，击穿电压IABSTRACTABSTRACTGalliumNitride-basedhighelectrommobilitytransistorspalyanimportantroleinmicrowaveapplicationandpowerdeviceapplication.GreatprogresshasbeenachievedinGaNHEMTtechnologyforthelasttwentyyears

5、.However,therestillremainsomeissuesmakingtheirperformancebelowtheoreticalexpectations.Twooftheseissuesareconcernedinthispaper.Oneissueisaboutthenon-linearbehaviorofthetransconductanceofAlGaN/GaNHEMT.Theotherisabouttheconcentrationofelectricfieldlinenearthegate,whichleadstoalow

6、breakdownvoltageofthedevice.Inordertounderstandthenon-linearbehaviorofthetransconductanceofAlGaN/GaNHEMT,DCandpulsedtransfercharacteristicsoftheAlGaN/GaNHEMTsmapleshavebeensystematicallyinvestigated.Asignificantdifferenceoftransconductance(gm)linearitybetweenDCandgate-pulsedme

7、asurementsisclearlyobserved.Theacceptor-liketrapsinthebarrierlayerunderthegateisthemaincauseofnon-linearbehaviorofAlGaN/GaNHEMTstransconductance.Aphysicalmodelhasbeenconstructedtoexplainthephenomenon.Inthemodeling,anacceptor-liketrap19-3concentrationof1.2×10cmwithanenergylevel

8、of0.5eVbelowtheconductionbandminimumshowsthebestfittomeasurem