AlGaN/GaN HEMT高场应力退化及紫外光辐照的研究

采用不同的应力偏压发现器件特性的下降程度随应力偏置电压的增大而增大.经过3×104s 40V高场应力后,蓝宝石衬底 AlGaN/GaN HEMT饱和漏电流下降5.2%,跨导下降7.6%.从器件直流参数的下降分析了应力后的特性退化现象并与连续直流扫描电流崩塌现象进行了对比,同时观察了紫外光照对应力后器件特性退化的恢复作用.直流扫描电流崩塌现象在紫外光照下迅速消除,但是紫外光照不能恢复高场应力造成的特性退化.     

表面态对GaN HEMT电流崩塌效应影响的研究

针对GaN HEMT电流崩塌物理效应,测试了各种条件下器件I-V特性。发现在栅脉冲条件下器件最大漏输出电流减小了23.8%,且随着栅脉冲宽度减小或周期增大而下降,并且获得了其输出电流与脉冲宽度W和周期T的定量关系;在漏脉冲测试条件下,器件输出电流有所增大,并随着脉冲宽度减小而缓慢增大。实验结果,可用器件栅漏之间表面态充放电的原理来解释所观察到的测试现象和电流崩塌物理。     

半开态直流应力作用下AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的失效机制分析

本文研究了半开态直流应力条件下,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的退化机制。应力实验后,器件的阈值电压电压正漂,栅漏串联电阻增大。利用数据拟合发现,沟道电流的退化量与阈值电压及栅漏串联电阻的变化量之间有密切的关系。分析表明,阈值电压的退化是引起饱和区沟道电流下降的主要因素,对于线性区电流,在应力开始的初始阶段,栅漏串联电阻的增大导致线性区电流的退化,随后沟道电流退化主要由阈值电压的退化引起。分析表明,在半开态应力作用下,栅泄露电流及热电子效应使得电子进入AlGaN层,被缺陷俘获,进而导致沟道电流退化。其中反向栅泄露电流中的电子被栅电极下AlGaN层内的缺陷俘获,导致阈值电压正漂;而热电子效应则使得栅漏串联区电阻增大。     

F等离子体处理 AlGaN/GaN HEMT击穿电压和电流崩塌研究

F等离子体处理工艺被广泛的应用于 AlGaN/GaN HEMT增强型器件的研制和栅前处理工艺。本文研究了低功率F处理 AlGaN/GaN HEMT的击穿特性和电流崩塌特性。随着F处理时间的增加,饱和电流下降,阈值电压正向移动。对不同F处理时间的器件肖特基特性分析后发现,120s的F处理后器件栅泄漏电流明显减小,器件击穿电压提高,当F处理时间大于120s后,由于长时间F处理带来的损伤器件栅泄漏电流没有继续减小。采用不同偏置下的双脉冲测试对不同F处理时间的电流崩塌特性进行了研究,低功率F处理后没有发现明显的电流崩塌现象。     

变温C-V和传输线模型测量研究AlGaN/GaN HEMT温度特性

通过对异质结材料上制作的肖特基结构变温C-V测量和传输线模型变温测量,研究了蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管的直流特性在25～200℃之间的变化,分析了载流子浓度分布、沟道方块电阻、欧姆比接触电阻和缓冲层泄漏电流随温度的变化规律.得出了器件饱和电流随温度升高而下降主要由输运特性退化造成,沟道泄漏电流随温度的变化主要由栅泄漏电流引起的结论.同时,证明了GaN缓冲层漏电不是导致器件退化的主要原因.     

应力条件下AlGaN/GaNHEMT电流崩塌效应研究

采用应力测试方法,获得了AlGaN/GaN HEMT漏极电流随时间的变化关系.实验结果表明,应力导致漏极电流崩塌56.2%;不同电压应力条件下,只要所加时间足够长和电压足够大,相同栅压的电流崩塌程度都近似相等;漏极电流恢复时间与大小分别为34.5 αVGS与α(VGS-VT)(2-βt).研究表明,栅-漏间表面态捕获的电子使得表面电势发生变化,引起沟道中二维电子气浓度降低,从而导致电流崩塌效应的产生.此结论可望用于AlGaN/GaN HEMT器件电流崩塌效应进一步的理论探索和器件研究.     

高温及关态应力条件下GaAs pHEMT器件的性能退化研究

研究了高温和电学应力下砷化镓赝晶高电子迁移率晶体管的直流特性退化机理。高温下陷阱辅助发射电流引起器件关态漏电上升,而载流子迁移率的退化引起跨导降低;当温度达到450 K时,栅金属的沉降效应会导致跨导异常升高。进一步研究了不同温度下关态电学应力对器件性能退化的影响,结果与高温下栅沉降效应相吻合。     

GaN HFET中的能带峰势垒和跨导崩塌北大核心

考虑大沟道电流下外沟道局域电子气慢输运行为破坏沟道电中性,诱生空间电荷导致的能带峰势垒,提出了新的跨导崩塌模型。详细计算了不同栅压和不同沟道电流密度、即不同空间电荷密度下的场效应管能带。引入新的能带峰势垒和沟道电子跨越势垒的动态模型,解释了沟道打开过程中源电阻增大、沟道电子平均速度下降、大沟道电流下跨导下降等各类跨导崩塌行为,解释了场效应管沟道电子速度远低于异质结材料的缘由。运用沟道打开时的异质结充电和大沟道电流激励下空间电荷触发的能带峰势垒模型解释了跨导钟形曲线上升段中的电流崩塌和下降段中的跨导崩塌。深入研究了陷阱和局域电子气的相互作用,解释了可靠性加速寿命试验中的跨导曲线变化。沟道夹断的强负栅压应力产生内沟道逆压电缺陷,减弱栅电压对内沟道电子气的控制和沟道打开时跨导的上升斜率。沟道打开后的大电流应力使局域电子气与晶格碰撞产生热电子缺陷和空间电荷,抬高能带峰势垒引发外沟道堵塞,降低沟道电流,导致阈值电压正移。这一研究证明在场效应管直流和射频工作中的器件性能退化都是由陷阱同局域电子气相互作用产生的,开创了优化设计异质结能带来提高场效应管可靠性的新途径。最后讨论大沟道电流下能带峰势垒引发的外沟道堵塞和跨导崩塌在场效应管研发中的重要作用,提出了在空间电荷区上方设置专用的异质结鳍来平衡内、外沟道能带,解开场效应管中的电流崩塌、跨导崩塌、线性、器件性能退化及3 mm高频工作等难点。     

介质膜性质及表面处理对GaN HEMT特性的影响

GaN HEMT器件经过钝化后,抑制电流崩塌效应明显,但同时产生其他负面效应,为了改善目前GaN HEMT钝化后漏电增加和击穿电压减小等情况,研究了钝化技术对GaN HEMT电流特性的影响,包括介质膜应力、折射率和表面预处理与器件饱和电流、电流崩塌量的关系,优化了表面预处理和钝化工艺条件.实验效果在CaN HEMT电特性上的改善明显.结果表明,采用折射率为2.1～2.2的SiN钝化膜,饱和电流密度增加到1 100 mA/mm,电流崩塌量小于10%,肖特基接触反向偏压为-20 V时泄漏电流达10-5A数量级.     

AlGaN/GaN HFET电流崩塌效应研究

电流崩塌效应是限制AlGaN/GaN HFET高输出功率特性的一个重要因素,文中从器件研制的角度研究了AlGaN/GaN HFET的电流崩塌效应.研究结果表明,采用传统的化合物半导体器件细栅工艺制作的器件,栅边缘易发生钻蚀效应,SiN层出现钻蚀区域,器件电流崩塌明显;采用ICP刻蚀SiN后,AlGaN表面产生损伤,电流崩塌效应进一步增强;采用电子束直写方式和SiN钝化,电子未对AlGaN层产生损伤,电流崩塌参量小于20%;采用场板结构,SiN层增加了表面态俘获电子的释放通道.电流崩塌效应得到进一步抑制,减小到小于10%.