AlGaN-GaN高電子遷移率晶體管可靠性與新結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、氮化鎵基高電子遷移率晶體管在微波毫米波領(lǐng)域和功率器件領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。國內(nèi)外二十余年的研究使得GaN HEMT技術(shù)日趨成熟，然而仍存在一系列的問題亟待解決，以期進(jìn)一步提高GaN HEMT器件的性能。本論文主要圍繞其中兩個重要問題而展開：一是AlGaN/GaN HEMT器件的跨導(dǎo)下降，也即跨導(dǎo)非線性問題；二是電場線集中于柵極邊緣使得器件耐壓能力受限的問題。
　　本論文針對文獻(xiàn)中普遍存在的AlGaN/GaN HEMT跨導(dǎo)非線

2、性問題，對AlGaN/GaN HEMT樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的直流和脈沖I-V測試，觀察到在不同測試方法下跨導(dǎo)線性度存在明顯的差異。基于該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出了柵下勢壘層區(qū)域中的類受主態(tài)陷阱是造成 AlGaN/GaN HEMTs跨導(dǎo)非線性的原因。建立了一個基于陷阱充放電的物理模型，通過二維數(shù)值仿真，該模型得以驗(yàn)證。仿真計(jì)算表明，當(dāng)柵下類受主陷阱濃度為1.2×10<19> cm-3且其能級深度為導(dǎo)帶下0.5eV時，仿真所得器件跨導(dǎo)的非線性特征與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3、相一致。
　　本論文針對 AlGaN/GaN HEMT器件中電場線集中于柵極邊緣導(dǎo)致器件發(fā)生提前擊穿的問題，提出了一種AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu)以緩解電場集中現(xiàn)象，該結(jié)構(gòu)利用了橫向高-K/低-K復(fù)合介質(zhì)作為器件的表面鈍化層。復(fù)合鈍化層由高-K鈍化層中嵌入若干低-K介質(zhì)塊形成。因?yàn)榻殡姵?shù)在高-K/低-K界面處的不連續(xù)性，導(dǎo)致鈍化層中橫向電場存在一個躍變，從而使得其正下方的電子溝道中存在一個橫向電場的尖峰，起到調(diào)制溝道電場

4、分布的作用。由此可以達(dá)到提高器件擊穿電壓的目的。與典型的場板耐壓結(jié)構(gòu)相比，高-K/低-K復(fù)合鈍化層不會引入寄生電容，從而在提高耐壓的同時可以保持AlGaN/GaN HEMT的高頻工作優(yōu)勢。根據(jù)該復(fù)合鈍化層的物理機(jī)理，本文給出了若干鈍化層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則?；谶@些設(shè)計(jì)原則，本文給出了一個具體的設(shè)計(jì)實(shí)例。該實(shí)例運(yùn)用高-K/低-K復(fù)合鈍化層可以達(dá)到1400V的耐壓結(jié)果，相比之下，常規(guī)高-K鈍化層結(jié)構(gòu)和常規(guī)低-K鈍化層結(jié)構(gòu)耐壓值分別為917V和28