【摘 要】
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GaN材料的众多优势使GaN基HEMT器件在射频功率领域极具应用前景,但目前仍然存在一些可靠性问题限制了AlGaN/GaN HEMT器件的发展和应用。本文基于AlGaN/GaN HEMT射频功率器件开展退化评估和失效分析,结合Silvaco TCAD仿真和实验对器件的相关可靠性问题进行深入研究,并针对AlGaN/GaN HEMT中存在的可靠性问题提出相应的改进措施和加固手段。首先,在高温反偏应力下
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GaN材料的众多优势使GaN基HEMT器件在射频功率领域极具应用前景,但目前仍然存在一些可靠性问题限制了AlGaN/GaN HEMT器件的发展和应用。本文基于AlGaN/GaN HEMT射频功率器件开展退化评估和失效分析,结合Silvaco TCAD仿真和实验对器件的相关可靠性问题进行深入研究,并针对AlGaN/GaN HEMT中存在的可靠性问题提出相应的改进措施和加固手段。首先,在高温反偏应力下,对AlGaN/GaN HEMT开展退化评估和失效分析,结果表明应力下器件的关态漏电出现不可逆增大。通过EMMI测试对器件漏电点和失效点进行定位,发现在关态高漏压下和栅极反向高偏压下,EMMI漏电点分别主要出现在栅漏和栅源之间。针对失效点采用FIB/SEM进行剖面切割,发现器件存在表面击穿和外延材料击穿两种击穿失效模式。采用Silvaco仿真研究了不同场板结构对器件电场的调制作用,仿真发现,源场板往漏极延伸长度和其下方Si N钝化层厚度的选取,要从提高击穿电压和抑制表面/外延材料击穿的角度综合考虑。通过评估器件的栅延迟和power lag特性,发现AlGaN/GaN HEMT仍然存在显著的陷阱效应。针对AlGaN/GaN HEMT表面击穿失效和陷阱效应,本文采用Si O2表面保护的方法控制器件的表面态。沉积的Si O2仅作为表面保护层,在Si N钝化前采用BOE溶液将其去除。直流测试和双脉冲测试表明Si O2处理可提高器件的击穿电压并抑制其电流崩塌。采用双栅结构结合变温I-V测试,发现Si O2处理可减小表面漏电,通过拟合确定了二维可变程跳跃（2D-VRH）为表面漏电的主导机制。且拟合提取得到常规钝化和Si O2处理器件的表面漏电激活能分别为0.097 me V和0.067 me V。Si O2表面保护可减小表面态密度抑制表面漏电的传导,提高器件的击穿电压并抑制其电流崩塌。针对AlGaN/GaN HEMT外延材料击穿失效和陷阱效应,本文结合Silvaco仿真和实验研究了GaN缓冲层掺杂Fe对AlGaN/GaN HEMT特性的影响。研究发现Fe掺杂浓度和Fe掺杂GaN厚度的选取,要从提高器件击穿电压和抑制其电流崩塌效应角度综合考虑。研究表明热电子效应主导Fe掺杂相关缓冲层陷阱的瞬态行为。漏极静态偏压的增大会导致栅漏之间的电场增强,增大电子被陷阱俘获的几率,导致器件的电流崩塌量增大。通过仿真发现采用栅场板可降低栅靠漏侧的强电场峰值有效抑制Fe掺杂相关缓冲层陷阱引起的电流崩塌。研究发现当器件中的陷阱未被电子填充满时,电流崩塌量随着静态偏置时间的增大而增大,当陷阱被电子填充满后,电流崩塌量将达到饱和。
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