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(yīng)用領(lǐng)域取得了廣泛的關(guān)注。然而，目前可靠性問題仍然是阻礙 GaN基 HEMT器件進(jìn)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(yīng)成為影響器件可靠性的重要因素之一。本文首先結(jié)合理論分析以及軟件仿真，建立了GaN基HEMT器件逆壓電效應(yīng)的物理模型；其次通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法以及版圖結(jié)構(gòu)，對(duì)器

2、件的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行了測試，并對(duì)逆壓電效應(yīng)引起器件退化的物理機(jī)制進(jìn)行了分析；再次研究了SiN鈍化介質(zhì)對(duì)器件逆壓電效應(yīng)的影響，以及在正向柵壓應(yīng)力下器件特性的退化機(jī)制；最后研究了在機(jī)械應(yīng)力作用下器件特性的變化規(guī)律。
　　論文首先對(duì)GaN基HEMT器件做了簡要介紹，包括GaN材料相對(duì)其他半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢、GaN基HEMT器件適用于高頻大功率應(yīng)用的原因以及GaN材料外延生長技術(shù)和GaN基HEMT器件制造的發(fā)展歷程。對(duì)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(yīng)、電流崩塌效應(yīng)以及逆壓電極化效應(yīng)等進(jìn)行了分析，并對(duì)GaN基HEMT器件可靠性的國際研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論。
　　論文對(duì) GaN基 HEMT器件的逆壓電效應(yīng)理論進(jìn)行了深入分析，并建立了 GaN基HEMT器件逆壓電效應(yīng)的物理模型。在對(duì)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(yīng)理解的基礎(chǔ)上，深入分析了 AlGaN材料的逆壓電極化效應(yīng)理論，推導(dǎo)了 AlGaN材料晶格應(yīng)力以及彈性能密度與

4、電場關(guān)系。通過Silvaco-ATLAS器件仿真軟件，對(duì)GaN基HEMT器件的電場分布進(jìn)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(diǎn)的電場強(qiáng)度。結(jié)合逆壓電效應(yīng)的理論模型，計(jì)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(jìn)行對(duì)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)器件的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行了測試。通過對(duì)器件施加階躍應(yīng)力，同時(shí)檢測應(yīng)力過程中柵極

5、應(yīng)力電流隨應(yīng)力時(shí)間的變化，確定器件發(fā)生逆壓電極化效應(yīng)的臨界電壓。實(shí)驗(yàn)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(jié)合GaN基HEMT器件漏電機(jī)制分析對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。通過設(shè)計(jì)器件正反向測試實(shí)驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)力前后器件特性對(duì)比分析，證明了逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致器件勢壘層陷阱產(chǎn)生的位置位于源極一側(cè)柵邊緣。
　　通過合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的研究了逆壓電效應(yīng)對(duì)GaN基HEMT器件特性的影響，并對(duì)逆壓電效應(yīng)引起器件特性退化的物理機(jī)制進(jìn)行了深入分

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

7、退化的物理機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
　　研究了SiN鈍化對(duì)器件逆壓電效應(yīng)的影響，并結(jié)合器件瞬態(tài)特性測試以及表面漏電理論對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了深入的討論。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，去除SiN鈍化介質(zhì)后在階躍應(yīng)力測試過程中不會(huì)出現(xiàn)逆壓電極化效應(yīng)的臨界電壓。瞬態(tài)測試表明，SiN介質(zhì)鈍化會(huì)使得器件勢壘層表面的慢態(tài)陷阱得到抑制，但同時(shí)也會(huì)引入大量的快態(tài)陷阱。結(jié)合器件表面漏電機(jī)制以及橫向能帶分析，我們認(rèn)為表面慢態(tài)陷阱俘獲電子并導(dǎo)致器件表面耗盡區(qū)的延伸，是導(dǎo)致上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)

8、象的根本原因。
　　論文還對(duì)器件在正向柵壓下的退化規(guī)律進(jìn)行了研究，并建立了應(yīng)力作用下器件柵下界面氧化層消除理論。實(shí)驗(yàn)表明，正向階躍應(yīng)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(dǎo)模型對(duì)器件柵下界面陷阱進(jìn)行表征，證明了應(yīng)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(duì)柵下材料組分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力作用后勢壘層表面的Ga-O峰值顯著減弱。我們認(rèn)為在應(yīng)力作用下柵極金屬Ni會(huì)與界面氧發(fā)生反應(yīng)，引起界面氧化