AlGaN-GaN HEMT器件可靠性研究.pdf

1、GaN作為第三代半導(dǎo)體,具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、電子遷移率高、以及耐熱特性和抗輻射性能良好等優(yōu)異的半導(dǎo)體性能,非常適合應(yīng)用于高溫、高頻、高功率及高擊穿電壓電力電子器件當(dāng)中。基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)處二維電子氣的HEMT器件成為現(xiàn)階段電力電子器件的研究熱點(diǎn)并展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。然而,現(xiàn)在存在的很多問題尤其是可靠性問題制約著AlGaN/GaN HEMT的大規(guī)模應(yīng)用。因此AlGaN/GaN HEMT的可靠性問題是目前的研究熱點(diǎn),也是

2、目前迫切需要解決的一個(gè)技術(shù)難題。
　　在本論文中,研究工作主要圍繞AlGaN/GaN HEMT器件及可靠性展開,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析入手,優(yōu)化器件的制備工藝并對其可靠性、物理機(jī)制進(jìn)行分析,論文的主要內(nèi)容如下:
　　1、AlGaN/GaN HEMT器件漏電及耐壓的研究。我們對離子注入隔離的漏電路徑進(jìn)行了深入的研究,得到離子注入?yún)^(qū)域AlGaN和SiNx之間的界面漏電是主要漏電途徑,退火可以降低界面態(tài),最終降低器件的漏電,得到開關(guān)

3、比為1010的器件。另外,我們采用MIS結(jié)構(gòu)在柵電極下插入LPCVD SiNx作為介質(zhì)層并采用場板結(jié)構(gòu)來調(diào)制電場,器件在7μm的柵漏間距下?lián)舸╇妷哼_(dá)到1082V,但器件的動態(tài)電阻與擊穿電壓隨場板長度的變化趨勢相反,需要做一個(gè)權(quán)衡。
　　2、AlGaN/GaN HEMT器件歐姆接觸的影響因素及老化研究。歐姆接觸的制備條件制約著其可靠性。我們研究了表面處理和Ti/Al比、Au厚度、ICP刻蝕、退火溫度對歐姆接觸接觸電阻的影響,淀積金屬

4、前經(jīng)過ICP刻蝕總計(jì)12nm GaN蓋帽層及AlGaN勢壘層以及5min200W的O等離子體處理和2min HCl∶H2O=1∶10的溶液漂洗,淀積金屬選擇20/130/50/50nm的Ti/Al/Ni/Au并在810℃下退火能達(dá)到最低的歐姆接觸接觸電阻,為0.24Ω·mm。同時(shí)此樣品展現(xiàn)了較好的表面形貌,在變溫測試和400℃N2氛圍下的長時(shí)間老化實(shí)驗(yàn)時(shí),樣品展現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性。
　　3、AlGaN/GaN HEMT動態(tài)特性、界

5、面態(tài)及介質(zhì)研究。我們采用LPCVD淀積的SiN作為柵介質(zhì)實(shí)現(xiàn)MIS結(jié)構(gòu),通過提高生長過程中SiH2Cl2和NH3的流量比有效地抑制了電流崩塌。利用界面態(tài)分析及SIMS測試對其物理機(jī)制進(jìn)行分析,我們認(rèn)為界面處引入了Si原子作為施主,其趨向于離化出電子,填充界面處深能級缺陷使其主導(dǎo)的虛柵效應(yīng)被抑制。我們設(shè)計(jì)了新的器件制備工藝流程來利用LPCVD SiNx作為場板下介質(zhì),更有效地提高了擊穿電壓,抑制了電流崩塌,600V關(guān)態(tài)stress下動態(tài)比

6、導(dǎo)通電阻約為1.18。
　　4、AlGaN/GaN HEMT長時(shí)間退化研究。我們搭建了長時(shí)間關(guān)態(tài)stress退化測試系統(tǒng),對AlGaN/GaN MIS-HEMT器件進(jìn)行了長時(shí)間關(guān)態(tài)stress退化,得到柵極漏電逐漸減小,漏極漏電隨著測試周期增加、恢復(fù)相循環(huán),閾值電壓左移,回滯增大,導(dǎo)通電阻增大,輸出電流減小等退化現(xiàn)象。通過對這些現(xiàn)象的分析及關(guān)態(tài)stress下拉曼光譜的E2峰正向漂移現(xiàn)象,我們認(rèn)為在長時(shí)間關(guān)態(tài)stress測試過程中,