氮化镓基高电子迁移率晶体管逆压电可靠性研究

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2、子科技乂学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我巧工作的同志对本研究所做的任何贡献巧已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。？学位论文若有不实之处，本人承担切法律责任。＇；本人签名：口期ｙｏＩ？Ｙ代：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明目本人完全Ｔ解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，Ｐ；研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权，允许查阅、借閲论文保留送交论文的复印件；学校可臥公布论文的全部或部分巧容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得

3、学位后结保合学密位论文研兒成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。本人签的学位论文在＿＿年解密后适用本授权书。名：睐参知导师签名；■日期：ｙｎ日期：加学校代码10701学号1205110254分类号TN4密级公开西安电子科技大学博士学位论文氮化镓基高电子迁移率晶体管逆压电可靠性研究作者姓名：陈伟伟一级学科：材料科学与工程二级学科：材料物理与化学学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：马晓华教授学院：先进材料与纳米科技学院提交日期：2016年03月ReliabilityinvestigationofGaN-basedhi

4、ghelectronmobilitytransistorsunderinversepiezoelectriceffectAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMaterialsScienceandEngineeringByChenWeiweiSupervisor:MaXiaohuaProfessorMar2016摘要摘要由于GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高击穿电压、高

5、载流子密度、高载流子饱和速度等优势，目前已在高频大功率器件应用领域取得了广泛的关注。然而，目前可靠性问题仍然是阻碍GaN基HEMT器件进一步推广的主要原因。由于GaN基HEMT器件通常工作于高压大功率条件，逆压电效应成为影响器件可靠性的重要因素之一。本文首先结合理论分析以及软件仿真，建立了GaN基HEMT器件逆压电效应的物理模型；其次通过合理设计实验方法以及版图结构，对器件的逆压电效应进行了测试，并对逆压电效应引起器件退化的物理机制进行了分析；再次研究了SiN钝化介质对器件逆压电效应的影响，以及在正向栅压应力下器件特性的退化机制；最后研究了在机械应力作用下器件

6、特性的变化规律。论文首先对GaN基HEMT器件做了简要介绍，包括GaN材料相对其他半导体材料的优势、GaN基HEMT器件适用于高频大功率应用的原因以及GaN材料外延生长技术和GaN基HEMT器件制造的发展历程。对GaN基HEMT器件目前存在的主要可靠性问题，包括热载流子效应、电流崩塌效应以及逆压电极化效应等进行了分析，并对GaN基HEMT器件可靠性的国际研究现状进行了讨论。论文对GaN基HEMT器件的逆压电效应理论进行了深入分析，并建立了GaN基HEMT器件逆压电效应的物理模型。在对GaN材料的极化特性，包括自发极化、压电极化以及逆压电极化效应理解的基础上，深

7、入分析了AlGaN材料的逆压电极化效应理论，推导了AlGaN材料晶格应力以及弹性能密度与电场关系。通过Silvaco-ATLAS器件仿真软件，对GaN基HEMT器件的电场分布进行模拟，确定器件在任意工作模式下势垒层材料中任意一点的电场强度。结合逆压电效应的理论模型，计算出器件势垒层中的弹性能分布，并与势垒层材料所能承受的临界弹性能密度进行对比，从而确定器件可靠性工作的临界电压。制备出了特性优良的GaN基HEMT器件，并通过合理设计实验，对器件的逆压电效应进行了测试。通过对器件施加阶跃应力，同时检测应力过程中栅极应力电流随应力时间的变化，确定器件发生逆压电极化效

8、应的临界电压。实验发现，超过临界电压器