gan hemt器件加速应力退化及辐射损伤实验研究

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1、学校代码10530学号201230990060分类号TN385密级公开博士学位论文GaNHEMT器件加速应力退化及辐射损伤实验研究学位申请人雷志锋指导教师郭红霞研究员,唐明华教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向先进信息材料与器件二〇一八年六月十日InvestigationofAcceleratedStressDegradationandRadiationInducedDamageinGaNHEMTsCandidateZhifengLeiSupervisorProfessorHongxiaGuoandProfessorMinghuaTangCollegeSchoo

2、lofMaterialsScienceandEngineeringProgramAdvancedInformationMaterialsandDevicesSpecializationMaterialScienceandEngineeringDegreeDoctorofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018摘要GaN材料具有宽带隙、大电子漂移速率、高热导率、耐高电压、耐高温、耐腐蚀、抗辐照等众多优点，特别适合制作高频、高效率、耐高温、耐高电压的大功率微波器件。基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）能满足下一代电子系统

3、对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣环境下工作的要求，可广泛应用于微波毫米波频段电子装备、宽带卫星通信等领域。本文主要针对GaNHEMT器件的可靠性问题，开展高加速应力可靠性和空间应用可靠性两方面研究工作，主要内容和研究成果如下：（1）开展了GaNHEMT器件高场应力实验研究。极限电应力导致器件输出饱和漏源电流下降，但对欧姆接触和沟道电阻影响较小。通过不同电学加载条件下的光发射显微观察，进一步验证了与电流条件相比，电压对器件退化的影响占主导作用。高场退化的主要机理是：开态时沟道电子在强电场作用下被―加热‖，一方面这些热载流子会被器件中原有的陷阱俘获，另一方面热电子注入会在

4、栅漏区的界面产生界面态，并在势垒层中产生陷阱缺陷，使陷阱密度增大，从而导致器件退化。在极限工作温度（结温300℃）下进行了GaNHEMT器件开态电应力实验研究。500小时实验后，器件饱和输出电流退化程度均在20%以上，线性区域沟道电阻增加，峰值跨导和阈值电压均发生了明显变化。器件的栅肖特基接触正反向栅电流都明显增加，这是由于长期施加电应力后，沟道热电子或者栅电子注入产生了AlGaN层陷阱，增加了载流子的隧穿几率。微观形貌和成份分析结果显示，长时间电应力后，发生电迁移、栅下沉物理特性的变化。（2）开展了GaNHEMT器件的重离子辐照实验研究。实验结果表明，随着重离子注量不断累积，器件的输

5、出饱和漏电流持续降低，阈值电压正向漂移，峰值跨导降低，栅延迟增加，且栅漏电出现显著增加。反偏状态情况下，重离子辐照期间器件关态电流出现持续上升，且出现台阶式的漏电流增加，分析表明台阶式的电离增加和入射栅区域的重离子数目相吻合，说明栅漏电是重离子直接轰击栅区域的作用结果。除了栅漏电特性之外，其它直流参数均存在退火效应，说明栅漏电增加和其他参数退化存在不同的机理。（3）观察到重离子辐照后GaNHEMT器件栅漏电增加的物理证据——潜径迹。重离子辐照后对器件进行光发射显微检查，发现栅区域出现了新增漏电点，针对较为明显的漏电位置进行了FIB切片制样，并进行TEM分析，发现重离子轰击造成了器件材料

6、中沿离子入射方向上的潜径迹。潜径迹是由于高电离能损密度导致材料局域的物理性状的变化，栅位置区域贯通势垒层的潜径迹作为新增漏电通道，无法随着常温和高温存储而恢复，是栅漏电增加的直接原因。I（4）开展了GaNHEMT器件的质子辐照实验研究。通过辐照过程中的原位测试和辐照前后的对比测试发现，质子辐照主要造成器件输出饱和漏电流持续降低、阈值电压正向漂移和峰值跨导下降。质子辐照对器件栅特性影响不显著，辐照后器件栅反向漏电变地更好（减小）。饱和漏电流是质子辐照的敏感参数，其随质子辐照的注量累积而线性下降。加载关态偏置辐照实验中发现，辐照过程中出现极少的异常电流脉冲，分析认为是质子轰击GaN材料的原

7、子反冲核重离子造成的电离效应。研究了实验条件对GaNHEMT器件质子辐射效应的影响，通过3MeV和6MeV质子辐照的对比实验发现，3MeV质子辐照导致器件饱和漏电流降低速度更快，低能质子对器件的影响更为显著。加电和不加电条件下的辐照实验结果表明，电学偏置对器件的退化影响不明显，说明GaNHEMT器件质子辐照主要表现为位移损伤效应。质子辐照导致器件在势垒层、缓冲层中产生缺陷，成为电子陷阱，俘获电子，降低了载流子浓度，同时二维电子气薄层电荷的上下一