AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件中子位移损伤效应及机理

针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件和异质结构在西安脉冲反应堆上开展了中子位移损伤效应研究,等效1MeV中子注量为1×10¹⁴n/cm².测量了器件在中子辐照前后的直流特性和1/f噪声特性,并对测试结果进行理论分析,结果表明:中子辐照在器件内引入体缺陷,沟道处的体缺陷通过俘获电子和散射电子,造成器件电学性能退化,主要表现为阈值电压正漂、输出饱和漏电流减小以及栅极泄漏电流增大.经过低频噪声的测试计算得到,中子辐照前后,器件沟道处的缺陷密度由1.78×10¹²cm^–3·eV–1增大到了1.66×1014cm^–3·eV^–1.采用C-V测试手段对肖特基异质结进行测试分析,发现沟道载流子浓度在辐照后有明显降低,且平带电压也正向漂移.分析认为中子辐照器件后,在沟道处产生了大量缺陷,这些缺陷会影响沟道载流子的浓度和迁移率,进而影响器件的电学性能.     

中子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电特性的影响

本文采用能量为1 MeV的中子对SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件进行了最高注量为1015cm-2的辐照.实验发现:当注量小于1014cm-2时,器件特性退化很小,其中栅电流有轻微变化(正向栅电流IF增加,反向栅电流IR减小),随着中子注量上升,IR迅速降低.而当注量达到1015cm-2时,在膝点电压附近,器件跨导有所下降.此外,中子辐照后,器件欧姆接触的方块电阻退化很小,而肖特基特性退化却相对明显.通过分析发现辐照在SiN钝化层中引入的感生缺陷引起了膝点电压附近漏电流和反向栅泄漏电流的减小.以上结果也表明,SiN钝化可以有效地抑制中子辐照感生表面态电荷,从而屏蔽了绝大部分的中子辐照影响.这也证明SiN钝化的AlGaN/GaN HEMT器件很适合在太空等需要抗位移损伤的环境中应用.     

AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管漏电流退化机理研究

本文首先制备了与AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 结构与特性等效的AlGaN/GaN异质结肖特基二极管, 采用步进应力测试比较了不同栅压下器件漏电流的变化情况, 然后基于电流-电压和电容-电压测试验证了退化前后漏电流的传输机理, 并使用失效分析技术光发射显微镜 (EMMI) 观测器件表面的光发射, 研究了漏电流的时间依赖退化机理. 实验结果表明: 在栅压高于某临界值后, 器件漏电流随时间开始增加, 同时伴有较大的噪声. 将极化电场引入电流与电场的依赖关系后, 器件退化前后的 log(I_FT/E)与√E 都遵循良好的线性关系, 表明漏电流均由电子Frenkel-Poole (FP) 发射主导. 退化后 log(I_FT/E)与√E 曲线斜率的减小, 以及利用EMMI在栅边缘直接观察到了与缺陷存在对应关系的“热点”, 证明了漏电流退化的机理是: 高电场在AlGaN层中诱发了新的缺陷, 而缺陷密度的增加导致了FP发射电流I_FT的增加. 关键词： AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 漏电流 退化机理     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管肖特基高温退火机理研究

在不同应力条件下,研究了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火前后的电流崩塌、栅泄漏电流以及击穿电压的变化.结果表明,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管通过肖特基高温退火以后,器件的特性得到很大的改善.利用电镜扫描(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对高温退火前、后的肖特基接触界面进行深入分析,发现器件经过高温退火后,Ni和AlGaN层之间介质的去除,并且AlGaN材料表面附近的陷阱减少,使得肖特基有效势垒提高,从而提高器件的电学特性. 关键词： AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管 肖特基接触 界面陷阱     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性

本文制作了基于无栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构的温度传感器,并对其温度相关的电学特性进行了表征.实验测试了器件从50℃到400℃的变温电流-电压特性,研究了器件灵敏度随着器件沟道长宽比的变化,并研究了在300—500℃高温的空气和氮气中经过1 h恒温加热后器件的电学特性变化.理论与实验研究结果表明,随着器件沟道长宽比的增大,器件的灵敏度会随之上升;在固定电流0.01 A下,器件电压随温度变化的平均灵敏度为44.5 mV/℃.同时,稳定性实验显示器件具有较好的高温保持稳定性.     

增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究

深入研究了两种增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)高温退火前后的直流特性变化.槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT在500 ℃ N₂中退火5 min后,阈值电压由0.12 V正向移动到0.57 V,器件Schottky反向栅漏电流减小一个数量级.F注入增强型AlGaN/GaN HEMT在 400 ℃ N₂中退火2 min后,器件阈值电压由0.23 V负向移动到-0.69 V,栅泄漏电流明显增大.槽栅增强型器件退火过程中Schottky有效势垒     

3 MeV质子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的影响

研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 10¹⁵ protons/cm²时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.     

掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上制备了掺Fe高阻Ga N以及Al Ga N/Ga N高电子迁移率晶体管(HEMT)结构.对Cp_2Fe流量不同的高阻Ga N特性进行了研究.研究结果表明,Fe杂质在Ga N材料中引入的Fe~(3+/2+)深受主能级能够补偿背景载流子浓度从而实现高阻,Fe杂质在Ga N材料中引入更多起受主作用的刃位错,也在一定程度上补偿了背景载流子浓度.在一定范围内,Ga N材料方块电阻随Cp_2Fe流量增加而增加,Cp_2Fe流量为100 sccm(1 sccm 1mL min)时,方块电阻增加不再明显;另外增加Cp_2Fe流量也会导致材料质量下降,表面更加粗糙.因此,优选Cp_2Fe流量为75 sccm,相应方块电阻高达×10?/,外延了不同掺Fe层厚度的Al Ga N/Ga N HEMT结构,并制备成器件.HEMT器件均具有良好的夹断以及栅控特性,并且增加掺Fe层厚度使得HEMT器件的击穿电压提高了39.3%,同时对器件的转移特性影响较小.     

AlGaN/GaN高电子迁移率器件外部边缘电容的物理模型

AlGaN/GaN HEMT外部边缘电容Cofd是由栅极垂直侧壁与二维电子气水平壁之间的电场构成的等效电容.本文基于保角映射法对Cofd进行物理建模,考虑沟道长度调制效应,研究外部偏置、阈值电压漂移和温度变化对Cofd的影响:随着漏源偏压从零开始增加,Cofd先保持不变再开始衰减,其衰减速率随栅源偏压的增加而减缓;AlGaN势垒层中施主杂质浓度的减小和Al组分的减小都可引起阈值电压的正向漂移,正向阈值漂移会加强沟道长度调制效应对Cofd的影响,导致Cofd呈线性衰减.在大漏极偏压工作情况下,Cofd对器件工作温度的变化更加敏感.     

GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理

提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型,模型引入材料固有的极化效应,高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应,分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应,对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究.结果表明,器件内部温升速率呈现出"快速-缓慢-急剧"的趋势.当器件局部温度足够高时(2000 K),该位置热电子发射与温度升高形成正反馈,导致温度急剧升高直至烧毁.栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位,严重影响器件的特性和可靠性.随着脉宽的增加,损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大.通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型

初步分析了AlGaN/GaN 器件上的kink效应. 在直流模型的基础上, 建立了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型, 并加入了kink效应发生的漏源偏压与栅源偏压的关系. 该模型得出较为准确的模拟结果, 可用来判断kink效应的发生和电流的变化量. 最后, 我们采用模型仿真结合实验分析的方法, 对kink效应进行了一定的物理研究, 结果表明碰撞电离对kink效应的发生有一定的促进作用.     

基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应

基于双脉冲技术,研究了GaN缓冲层陷阱对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应的影响.结果表明,栅边缘漏侧的电场峰值使得沟道电子跃迁至缓冲层,并被缓冲层中的陷阱俘获是造成电流崩塌的主要原因之一.提出了势垒层局部凹槽结构,降低了栅边缘漏侧的电场峰值,使电场分布更加均匀,改善了器件的电流崩塌效应.与传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管结构相比,新器件结构对电流崩塌效应的抑制作用至少提升了22.30%.     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

加载功率与壳温对AlGaN/GaN高速电子迁移率晶体管器件热阻的影响

结温是制约器件性能和可靠性的关键因素, 通常利用热阻计算器件的工作结温. 然而, 器件的热阻并不是固定值, 它随器件的施加功率、温度环境等工作条件的改变而变化. 针对该问题, 本文以CREE公司生产的高速电子迁移率晶体管(HEMT)器件为研究对象, 利用红外热像测温法与Sentaurus TCAD模拟法相结合, 测量研究了AlGaN/GaN HEMT器件在不同加载功率以及管壳温度下热阻的变化规律. 研究发现: 当器件壳温由80 ℃升高至130 ℃时, 其热阻由5.9 ℃/W变化为6.8 ℃/W, 增大15%, 其热阻与结温呈正反馈效应; 当器件的加载功率从2.8 W增加至14 W时, 其热阻从5.3 ℃/W变化为6.5 ℃/W, 增大22%. 对其热阻变化机理的研究发现: 在不同的管壳温度以及不同的加载功率条件下, 由于材料导热系数的变化导致其热阻随温度与加载功率的变化而变化.     

AlGaN/GaN场板结构高电子迁移率晶体管的场板尺寸优化分析

对不同场板尺寸的AlGaN/GaN 场板结构高电子迁移率晶体管进行了研究,建立简化模型分析场板长度对沟道电场分布的影响.结果表明,调整钝化层厚度和场板长度都可以调制沟道电场的分布形状,当场板长度较小时,随着长度的增大器件击穿电压随之增加,而当长度增大到一定程度后器件击穿电压不再增加.通过优化场板长度,器件击穿电压提高了64%,且实验结果与模拟结果相符. 关键词： AlGaN/GaN 击穿电压 场板长度     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气的极化光学声子散射

Al Ga N/Ga N界面处的二维电子气迁移率是描述高电子迁移率晶体管特性的一个重要参数,极化光学声子散射是高温时限制二维电子气迁移率的主要散射机制.本文对极化光学声子散射进行计算,结果表明在二维电子气浓度为6×10~(11)—1×10~(13) cm~(–2),温度为200—400 K范围内,极化光学声子散射因素决定的迁移率随温度的变化近似为μPO=AT-α(α=3.5);由于Ga N中光学声子能量较大,吸收声子对迁移率的影响远大于发射声子的影响.进一步讨论了极化光学声子散射因素决定的迁移率随光学声子能量变化的趋势,表明增加极化光学声子能量可提高二维电子气的室温迁移率.     

AlGaN/GaN 高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究

本文系统研究了AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件界面热阻和工作温度对器件在高功率下的电流坍塌效应的影响规律.研究发现低漏极电压下热电子是导致负微分输出电导的重要因素,器件工作温度变高会使负微分输出电导减小.高漏极电压下自加热效应是导致电流坍塌的一个重要因素.随着界面热阻的增加,器件跨导降低,阈值电压增大.同时,由于工作环境温度的增高,器件随之温度增高,载流子迁移率会显著降低. 最终这两种因素会引起AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件显著的电流坍塌效应,从而降低了器件整体性能. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 器件 热电子效应 自加热效应 电流坍塌效应     

AlGaN/AlN/GaN高电子迁移率器件的电容电压特性的经验拟合

利用蓝宝石衬底的AlGaN/AlN/GaN 高电子迁移率器件(HEMT)的电容电压(C-V)特性,对电子费米能级与二维电子气面密度的经验关系进行表征,其结果对器件电荷控制模型的建立,跨导及电容表达式的简化有重要意义.文章创新性地提出参数α用于表征二维势阱对沟道电子限制能力,并认为α越小则二维势阱的沟道电子限制能力越强.利用上述经验关系来拟合电容,可以获得与实测电容很好的一致性. 关键词： HEMT 费米能级 C-V特性')" href="#">C-V特性 二维势阱的电子限制能力