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关态应力下p-GaN Gate HEMTs器件可靠性及其机理研究

关态应力下p-GaN Gate HEMTs器件可靠性及其机理研究

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作者：陈佳瑞电子科技大学

学位级别：硕士

p-GaN gate HEMTs（GaN High Electron Mobility Transistor）以其工艺简单、一致性好、成本较低等优势,成为行业内主流的增强型实现方案,并逐步使用在快充、数据中心、激光雷达等高频、高功率密度领域。尽管具备如此优越的材料性能以... 详细信息

p-GaN gate HEMTs（GaN High Electron Mobility Transistor）以其工艺简单、一致性好、成本较低等优势,成为行业内主流的增强型实现方案,并逐步使用在快充、数据中心、激光雷达等高频、高功率密度领域。尽管具备如此优越的材料性能以及逐渐明朗的商业化趋势,p-GaN gate HEMTs仍存在电流崩塌效应、阈值电压不稳定等可靠性问题,这也成为阻碍其持续发展的瓶颈与障碍。为进一步推动GaN器件的应用与发展,本文深入讨论p-GaN gate HEMTs器件在实际应用中的可靠性的问题,揭示导致器件退化的深层物理机制。本文的主要研究总结如下:（1）揭示了负栅压关态应力下p-GaN gate HEMTs器件电学特性退化机理。本文通过对p-GaN gate HEMTs器件进行负栅压稳态应力实验,研究长时间负栅压关态应力对器件可靠性造成的影响。负栅压关态应力会造成显著的阈值电压正向漂移以及饱和漏极电流降低的退化现象。当V=-4V@V=80V时,器件阈值电压正向漂移+0.68V,饱和漏极电流降低66.7%;且随着负栅压应力|V|越大,漏压应力V越大,工作环境温度越低,器件发生越显著的退化现象。通过结合Sentaurus TCAD关态应力仿真发现,阈值电压正向漂移是由于负栅压促进p-GaN层空穴流失、栅叠层内陷阱俘获栅注入电子的同时,增强了沟道电子溢出被栅叠层内陷阱俘获过程;而上述栅叠层区域载流子输运行为以及栅漏有源区Si N/Al GaN界面陷阱俘获沟道电子共同导致器件饱和漏极电流降低;高温通过抑制p-GaN层空穴流失以及促进栅叠层陷阱释放电子过程,进而抑制阈值电压的正向漂移。（2）阐明了自热效应导致p-GaN gate HEMTs器件特性不稳定机理。本研究提出一种开态漏极电流注入（Drain Current Injection,DCI）的方法,研究p-GaN gate HEMTs器件在高功率密度应用中自热效应对器件可靠性造成的影响。芯片温度与器件退化程度之间呈现出强烈的相关性。当器件温度为150~oC时,阈值电压正向漂移幅度高达+0.83V,饱和漏极电流降低达18%;而器件温度为40~oC时,阈值电压正向漂移程度为+0.25V,饱和漏极电流降低11%。通过结合Sentaurus TCAD自热应力仿真以及器件恢复特性实验揭示了自热效应下器件退化机理。器件阈值电压的正向漂移是由于沟道电子在高温激发和电场引导的作用下溢出2DEG沟道被栅叠层区域陷阱俘获所导致;而栅叠层区域陷阱以及栅漏有源区第一层源场板下方Si N/Al GaN界面陷阱俘获沟道溢出电子共同导致器件饱和漏极电流降低。

关键词： p-GaN HEMTs 负栅压关态应力开态自热应力阈值电压

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