F注入增強型AlGaN-GaNHEMT器件電應力可靠性研究.pdf

1、隨著寬禁帶半導體器件的發(fā)展，增強型AlGaN/GaN HEMT器件受到越來越高的重視。在射頻及微波領域，增強型HEMT器件有利于減小電路尺寸及成本；在數(shù)字邏輯領域，可以實現(xiàn)直接耦合邏輯電路，提供簡化的邏輯電路形式。此外，在高壓功率開關領域也有著重要的需求。通常，實現(xiàn)增強型HEMT器件的方法包括槽柵刻蝕法、薄勢壘法、P型柵方法等。其中，在柵下注入F離子具有工藝簡單、閾值電壓易調節(jié)等優(yōu)點，是一種重要的增強型器件實現(xiàn)方法。盡管前期工作中，其性

2、能指標已經達到較高的水平。然而其可靠性問題，尤其是在典型電應力下的退化機理等，仍有待進一步明確。本文正是基于此問題開展深入研究，希望通過相關研究為F注入增強型HEMT器件長期穩(wěn)定的工作提供保障，為其廣泛的市場應用掃清障礙。
　　首先，本文介紹了在藍寶石襯底上制備F注入增強型器件的工藝。研究發(fā)現(xiàn)，在350℃下退火5分鐘使得器件的閾值電壓等略有退化，但是跨導等參數(shù)有明顯的改善。基于此工藝，我們實現(xiàn)了增強型器件，其閾值電壓為0.5V，跨

3、導最大值為180 mS/mm，與國際同類水平接近。
　　其次，本文研究了典型柵過載應力下F注入增強型HEMT器件的退化。實驗發(fā)現(xiàn)，增強型器件在柵過載應力下出現(xiàn)明顯的閾值電壓負漂現(xiàn)象。而在耗盡型器件施加同樣的柵過載應力，器件性能幾乎不變。因此，可以排除勢壘層材料本身的缺陷。此外，在增強型HEMT器件的柵極施加較小的正向應力，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的電子陷阱填充，因此可以排除F注入工藝過程中在勢壘層內產生缺陷的可能性。最后，我們比較了不同柵過載

4、應力條件下，器件閾值電壓漂移量與注入勢壘層電子總量的關系。實驗結果表明，不同的應力條件下它們的產生規(guī)律幾乎一致。因此，F(xiàn)注入增強型HEMT器件在柵過載應力下的退化可以用F離子的碰撞去離化來解釋。溝道中的高能熱電子在柵過載應力下與勢壘層中F離子發(fā)生碰撞，使部分F離子去離化失去負電，而導致F注入增強型器件出現(xiàn)閾值電壓負漂。這部分去離化的F離子在自然狀態(tài)下并不能恢復。進一步實驗結果表明，本實驗所加柵過載應力偏置下，高能熱電子在注入過程中并不會

5、產生新的電子陷阱。
　　最后，本文研究了高場應力對增強型AlGaN/GaN HEMT器件特性的影響。在關態(tài)高場應力下，器件的閾值電壓在應力過程中隨應力時間的增加而逐漸負向漂移，并且隨著電場強度的增加而更顯著。研究表明，該退化很可能是由于F離子受庫倫力的作用漂移出柵下區(qū)域所致。而在開態(tài)高場應力下，器件的閾值電壓在應力初期略有正漂，而后隨應力時間的增加而逐漸負漂。這是由于在開態(tài)高場應力初期，溝道中的熱電子填充作用占主導，它會使得勢壘層