氮化鎵基高電子遷移率晶體管逆壓電可靠性研究.pdf

1、由于 GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）具有高擊穿電壓、高載流子密度、高載流子飽和速度等優(yōu)勢，目前已在高頻大功率器件應用領域取得了廣泛的關注。然而，目前可靠性問題仍然是阻礙 GaN基 HEMT器件進一步推廣的主要原因。由于GaN基HEMT器件通常工作于高壓大功率條件，逆壓電效應成為影響器件可靠性的重要因素之一。本文首先結合理論分析以及軟件仿真，建立了GaN基HEMT器件逆壓電效應的物理模型；其次通過合理設計實驗方法以及版圖結構，對器

2、件的逆壓電效應進行了測試，并對逆壓電效應引起器件退化的物理機制進行了分析；再次研究了SiN鈍化介質對器件逆壓電效應的影響，以及在正向柵壓應力下器件特性的退化機制；最后研究了在機械應力作用下器件特性的變化規(guī)律。
　　論文首先對GaN基HEMT器件做了簡要介紹，包括GaN材料相對其他半導體材料的優(yōu)勢、GaN基HEMT器件適用于高頻大功率應用的原因以及GaN材料外延生長技術和GaN基HEMT器件制造的發(fā)展歷程。對GaN基HEMT器件目前

3、存在的主要可靠性問題，包括熱載流子效應、電流崩塌效應以及逆壓電極化效應等進行了分析，并對GaN基HEMT器件可靠性的國際研究現(xiàn)狀進行了討論。
　　論文對 GaN基 HEMT器件的逆壓電效應理論進行了深入分析，并建立了 GaN基HEMT器件逆壓電效應的物理模型。在對GaN材料的極化特性，包括自發(fā)極化、壓電極化以及逆壓電極化效應理解的基礎上，深入分析了 AlGaN材料的逆壓電極化效應理論，推導了 AlGaN材料晶格應力以及彈性能密度與

4、電場關系。通過Silvaco-ATLAS器件仿真軟件，對GaN基HEMT器件的電場分布進行模擬，確定器件在任意工作模式下勢壘層材料中任意一點的電場強度。結合逆壓電效應的理論模型，計算出器件勢壘層中的彈性能分布，并與勢壘層材料所能承受的臨界彈性能密度進行對比，從而確定器件可靠性工作的臨界電壓。
　　制備出了特性優(yōu)良的GaN基HEMT器件，并通過合理設計實驗，對器件的逆壓電效應進行了測試。通過對器件施加階躍應力，同時檢測應力過程中柵極

5、應力電流隨應力時間的變化，確定器件發(fā)生逆壓電極化效應的臨界電壓。實驗發(fā)現(xiàn)，超過臨界電壓器件柵極反向泄露電流急劇增大，本文結合GaN基HEMT器件漏電機制分析對該現(xiàn)象進行了解釋。通過設計器件正反向測試實驗，并對應力前后器件特性對比分析，證明了逆壓電效應導致器件勢壘層陷阱產生的位置位于源極一側柵邊緣。
　　通過合理設計器件結構，系統(tǒng)的研究了逆壓電效應對GaN基HEMT器件特性的影響，并對逆壓電效應引起器件特性退化的物理機制進行了深入分

6、析。通過設計對稱結構GaN基HEMT器件，并對器件進行逆壓電效應測試，證明了柵極邊緣的高場峰值對逆壓電效應的產生至關重要。通過濕法腐蝕的方法去除器件鈍化介質以及金屬接觸，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）對器件柵下材料形貌進行分析，證明了逆壓電效并不一定會引起器件柵下材料的物理損傷。研究了逆壓電效應的臨界電壓與器件偏置條件的關系，并結合不同偏置條件下器件勢壘層中的電場分布對該現(xiàn)象進行了解釋。采用能帶理論以及陷阱產生理論，對逆壓電效應引起器件

7、退化的物理機制進行了詳細闡述。
　　研究了SiN鈍化對器件逆壓電效應的影響，并結合器件瞬態(tài)特性測試以及表面漏電理論對實驗現(xiàn)象進行了深入的討論。實驗發(fā)現(xiàn)，去除SiN鈍化介質后在階躍應力測試過程中不會出現(xiàn)逆壓電極化效應的臨界電壓。瞬態(tài)測試表明，SiN介質鈍化會使得器件勢壘層表面的慢態(tài)陷阱得到抑制，但同時也會引入大量的快態(tài)陷阱。結合器件表面漏電機制以及橫向能帶分析，我們認為表面慢態(tài)陷阱俘獲電子并導致器件表面耗盡區(qū)的延伸，是導致上述實驗現(xiàn)

8、象的根本原因。
　　論文還對器件在正向柵壓下的退化規(guī)律進行了研究，并建立了應力作用下器件柵下界面氧化層消除理論。實驗表明，正向階躍應力后器件閾值電壓正向漂移，柵極漏電顯著增大。通過建立變頻電容-電導模型對器件柵下界面陷阱進行表征，證明了應力作用后器件柵下氧施主濃度的降低。通過X射線光電譜（XPS）對柵下材料組分進行分析，發(fā)現(xiàn)應力作用后勢壘層表面的Ga-O峰值顯著減弱。我們認為在應力作用下柵極金屬Ni會與界面氧發(fā)生反應，引起界面氧化