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与传统窄禁带半导体硅(Si)相比,宽禁带氮化镓(GaN)材料具有优良的物理特性,如强击穿电场、高电子迁移率、高电子饱和速度和高热导率等,非常适合制备在高压、高频和高温下工作的电子器件,如基于AlGaN/GaN或InAlN/GaN异质结工作的高电子迁移率晶体管(HEMTs)。传统AlGaN/GaN HEMTs的势垒层有较强的(逆)压电效应,在长时间工作条件下易引发器件性能退化,采用晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN HEMTs可有效避免此情况发生。然而,一些电学与热学可靠性问题仍然制约着器件性能的进一步提升和商业化应用。因此,研究关键可靠性问题可直接推动氮化物电子器件的发展,是非常必要的。鉴于此,本文深入研究了 In0.17Al0.83N/GaN HEMTs的重要电学与热学可靠性问题,主要包括长时间高场应力退化、高温环境退化、电流过早击穿行为以及沟道温度测试等。具体内容如下:1.研究了 In0.17Al0.83N/GaN HEMTs的高场与高温退化问题。长时间恒定高场应力测试中,观察到输出电流下降、导通电阻增大、阈值电压正漂和跨导数值减小等电学特性参数退化的现象,这归因于器件的热载流子效应。高温变温实验中,分析了温度对器件输出特性和转移特性的影响,发现随温度升高,输出电流和跨导均减小,这与升温后器件的迁移率降低有关。同时,沟道中二维电子气(2DEG)浓度在温度作用下降低,导致了阈值电压的正向移动。2.分析了 In0.17Al0.83N/GaN HEMTs的栅极电流击穿机理。对器件施加栅极偏压步进应力,监控源极、漏极和栅极的电流变化。与此同时,利用微光显微镜观测漏电“热点”的空间分布和演化情况,利用光束诱导电阻变化确定器件击穿后的具体击穿路径。最终结合Sentaurus的模拟电场分布结果,证明了过激Fowler-Nordheim隧穿电流是电流击穿的主要因素,并利用可导位错模型解释了电流击穿行为的过早发生。3.提出了一种测量In0.17Al0.83N/GaN HEMTs沟道温度的新方法。基于传统直流电学法和微区拉曼光谱法的测温结果,提出了一种测试GaN基HEMTs沟道温度的电学新方法。该方法通过微光显微镜技术获得器件沟道温度的三角形分布,得到了与微区拉曼光谱法大致相同的结果。通过评估不同方法的优缺点,证实了本文提出的微光电学新方法更适用于实际大规模生产应用。