P型柵極高電子遷移率晶體管可靠性研究.pdf

1、氮化鎵基高電子遷移率晶體管（HEMT）是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能與小型化、輕量化電力電子變換器的下一代功率器件。一方面這是由氮化鎵材料本身的優(yōu)異特性所決定的，如寬禁帶寬度(3.4 eV)，高臨界擊穿電場(chǎng)(3500 kV/cm)。另一方面，鋁氮化鎵與氮化鎵異質(zhì)結(jié)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)可以在異質(zhì)結(jié)界面處形成高電子濃度(＞1013 cm-2)，高電子遷移率(1200 cm2/V·s)與高電子飽和漂移速度(3.0×107cm/s)的二維電子氣導(dǎo)電溝道。然

2、而，鋁氮化鎵/氮化鎵異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的HEMT通常是常通型器件，其閾值電壓范圍在-6 V到-2 V。為了使HEMT能具有電路故障保護(hù)功能并與傳統(tǒng)硅基功率器件柵極驅(qū)動(dòng)IC兼容，需要實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT。全球科研工作者已提出多種實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型HEMT的技術(shù)手段，包括采用幾個(gè)納米厚的AlGaN勢(shì)壘層，級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，氟化物等離子體處理，肖特基柵極的柵極凹槽結(jié)構(gòu)，金屬絕緣體氧化物柵極凹槽結(jié)構(gòu)(MIS)與P型柵極結(jié)構(gòu)。在這些方法中，MIS-HEMT是實(shí)現(xiàn)可同時(shí)

3、具備高閾值電壓與高柵極電壓擺幅HEMT的可行方案。然而MIS-HEMT柵極氮化物/電介質(zhì)界面態(tài)的存在也帶來(lái)了相應(yīng)的可靠性問(wèn)題，例如器件閾值電壓的偏移。而P型柵極HEMT不僅可以實(shí)現(xiàn)高閾值電壓與高柵極電壓擺幅，同時(shí)還可以利用柵極空穴注入的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)進(jìn)一步降低器件溝道導(dǎo)通電阻，這使其成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。近十年，P型柵極器件在高漏壓開關(guān)條件下出現(xiàn)的電流崩塌或動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻變化已經(jīng)得到了全世界研究者的深入研究，然而由P型HEMT

4、柵極電流注入所導(dǎo)致的器件可靠性問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。
　　本文對(duì)商用P型柵極HEMT在不同大小柵極電壓應(yīng)力與不同器件溫度下無(wú)自發(fā)熱的導(dǎo)通電阻大小變化進(jìn)行了觀測(cè)分析。器件在額定柵極電壓應(yīng)力下導(dǎo)通電阻變化，閾值電壓的偏移以及耐壓能力的退化都指向了由于HEMT柵極區(qū)域電荷俘獲所引發(fā)的可靠性問(wèn)題。本文提出并詳述了HEMT由于柵極區(qū)域空穴電子分別被施主陷阱與受主陷阱俘獲而導(dǎo)致器件溝道電導(dǎo)不穩(wěn)定的潛在機(jī)理，并通過(guò)器件仿真從能帶變化對(duì)此做了進(jìn)一