GaN高電子遷移率晶體管耐壓機(jī)理研究.pdf

1、本文系統(tǒng)地研究了基于微波功率放大器應(yīng)用的GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的耐壓機(jī)理和相關(guān)的可靠性。重點(diǎn)分析了引起GaN HEMT擊穿的兩個(gè)主要機(jī)制：
　　1）緩沖層漏電機(jī)制；
　　2）柵極泄漏電流機(jī)制。高電場(chǎng)也會(huì)引起這兩種漏電增大，導(dǎo)致?lián)舸?br>　　本文結(jié)合測(cè)試和仿真，深入研究了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件對(duì)于GaN HEMT器件擊穿特性的影響，并提出對(duì)高壓高可靠性器件設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義的方法。取得的主要研究成果有：

2、　　1.制作非故意摻雜GaN溝道厚度不同的 AlGaN/GaN HEMTs。gate-lag和drain-lag脈沖測(cè)試技術(shù)被用來表征與陷阱相關(guān)的電流崩塌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這兩種器件中的電流崩塌主要來自于緩沖層陷阱效應(yīng)，而不是器件表面態(tài)的影響。厚溝道器件的電流崩塌低于薄溝道器件，表明溝道厚度的增加降低了緩沖層的陷阱效應(yīng)。
　　2.運(yùn)用漏極電流注入方法和關(guān)態(tài)應(yīng)力測(cè)試來表征器件的關(guān)態(tài)擊穿特性，結(jié)合這兩種方法初步判斷所研究器件擊穿的來源。實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果表明這兩種器件中的關(guān)態(tài)擊穿是源端注入的電流觸發(fā)的。HEMT溝道厚度從50 nm增加到150 nm，雖然器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的電流有所增大，但是器件的擊穿電壓從90 V提高到120 V。運(yùn)用降額思維實(shí)現(xiàn)了擊穿電壓與電流崩塌的雙贏。
　　3.為了更深入的研究不同溝道厚度GaN HEMTs的擊穿機(jī)理，并解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用Atlas二維仿真工具建立了實(shí)際器件的仿真模型，根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果修正仿真模型，最終使得仿真的器件電學(xué)特性與實(shí)際測(cè)試結(jié)

4、果一致。接著進(jìn)一步分析器件能帶結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布，結(jié)合測(cè)試以及仿真，研究溝道厚度對(duì)于器件緩沖層漏電和關(guān)態(tài)擊穿特性的影響。仿真結(jié)果表明厚溝道器件擊穿電壓提高是因?yàn)闇系篮穸鹊脑黾尤趸藮畔聹系酪约熬彌_層的橫向電場(chǎng)。厚溝道器件源端泄漏電流較大是因?yàn)闇系辣巢緿IB L效應(yīng)更嚴(yán)重，即加相同漏壓，厚溝道器件的緩沖層勢(shì)壘降低更多，從而造成從源端通過緩沖層注入到漏極的電子更多。因此對(duì)于AlGaN/GaN HEMTs需要選擇優(yōu)化的溝道厚度以及外延層結(jié)構(gòu)來降低

5、緩沖層漏電并提高擊穿電壓。
　　4.分別用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法生長(zhǎng)SiN，制作兩種不同表面的AlGaN/GaN HEMTs，研究柵極漏電機(jī)制。設(shè)計(jì)雙柵測(cè)試結(jié)構(gòu)，將柵極泄漏電流的表面橫向電流和垂直電流區(qū)分測(cè)試，并分別測(cè)試兩種器件表面電流和垂直電流。通過脈沖I-V測(cè)試初步分析兩種工藝鈍化的器件的表面態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)LPCVD鈍化的器件的表面態(tài)密度更低。LPCVD鈍化降低表面態(tài)密度以及表面漏

6、電的效果更好，但是卻增大了垂直電流；LPCVD鈍化的器件中的主要漏電途徑是肖特基垂直漏電。而PECVD鈍化的器件中的表面漏電更嚴(yán)重，是導(dǎo)致關(guān)態(tài)擊穿的主要原因，并且隨著柵壓負(fù)向增大而增大，隨著雙柵間距減小而增大。高密度表面態(tài)導(dǎo)致的二維可變程跳躍傳導(dǎo)機(jī)制是PECVD鈍化器件表面泄漏電流的主要機(jī)制。表面漏電是導(dǎo)致PECVD鈍化器件擊穿的直接原因。雖然降低表面態(tài)密度對(duì)于減小表面泄漏電流很重要，但是必須結(jié)合其他工藝防止垂直漏電增大，從而實(shí)現(xiàn)更高的