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%.     

场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理

在不同的漏偏压下,研究了钝化和不同场板尺寸AlGaN/GaN HEMT对电流崩塌的抑制能力.实验结果表明,钝化器件对电流崩塌的抑制能力随着漏偏压的升高而显著下降;在高漏偏压下,场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响,而合适尺寸的场板结构在各个漏偏压下都能够很好的抑制电流崩塌.深入分析发现,场板结构不仅能够抑制虚栅的充电过程,而且提供了放电途径,有利于虚栅的放电,从而抑制电流崩塌.在此基础上,通过建立场板介质对虚栅放电的模型,解释了高漏偏压下场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响的原因. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 场板 电流崩塌     

AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型

通过对AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描情况下电流崩塌现象和机理的分析，建立了一个AlGaN/GaN HEMT器件的直流扫描电流崩塌模型.该模型从AlGaN/GaN器件工作机理出发，综合考虑了器件结构、半导体表面与界面，以及量子阱特殊结构对电流崩塌的影响.实验反复证明了该模型与实验结果有良好的一致性. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 直流扫描 电流崩塌 模型     

具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)相对较低的击穿电压严重限制了其大功率应用.为了进一步改善器件的击穿特性,通过在n-GaN外延缓冲层中引入六个等间距p-GaN岛掩埋缓冲层(PIBL)构成p-n结,提出一种基于p-GaN埋层结构的新型高耐压AlGaN/GaN HEMT器件结构.Sentaurus TCAD仿真结果表明,在关态高漏极电压状态下,p-GaN埋层引入的多个反向p-n结不仅能够有效调制PIBL AlGaN/GaN HEMT的表面电场和体电场分布,而且对于缓冲层泄漏电流有一定的抑制作用,这保证了栅漏间距为10μm的PIBL HEMT能够达到超过1700 V的高击穿电压(BV),是常规结构AlGaN/GaN HEMT击穿电压(580 V)的3倍.同时,PIBL结构AlGaN/GaN HEMT的特征导通电阻仅为1.47 m?·cm~2,因此获得了高达1966 MW·cm~(-2)的品质因数(FOM=BV~2/R_(on,sp)).相比于常规的AlGaN/GaN HEMT,基于新型p-GaN埋岛结构的HEMT器件在保持较低特征导通电阻的同时具有更高的击穿电压,这使得该结构在高功率电力电子器件领域具有很好的应用前景.     

GaN基HEMT器件的缺陷研究综述

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)因具有高输出功率密度、高工作频率、高工作温度等优良特性,在高频大功率等领域具有广泛应用前景。目前,HEMT器件在材料生长和工艺制备方面都取得了巨大的进步。但是,由缺陷产生的陷阱效应一直是限制其发展的重要原因。本文首先论述了HEMT器件中的表面态、界面缺陷和体缺陷所在位置及其产生的原因。然后,阐述了由陷阱效应引起的器件电流崩塌、栅延迟、漏延迟、Kink效应等现象,从器件结构设计和工艺设计角度,总结提出了改善缺陷相关问题的主要措施,其中着重总结了器件盖帽层、表面处理、钝化层和场板结构4个方面的最新研究进展。最后,探索了GaN基HEMT器件在缺陷相关问题上的未来优化方向。     

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     

高场应力及栅应力下AlGaN/GaN HEMT器件退化研究

采用不同的高场应力和栅应力对AlGaN/GaN HEMT器件进行直流应力测试,实验发现：应力后器件主要参数如饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压等均发生了明显退化,而且这些退化还是可以完全恢复的;高场应力下,器件特性的退化随高场应力偏置电压的增加和应力时间的累积而增大;对于不同的栅应力,相对来说,脉冲栅应力和开态栅应力下器件特性的退化比关态栅应力下的退化大.对不同应力前后器件饱和漏电流,跨导峰值和阈值电压的分析表明,AlGaN势垒层陷阱俘获沟道热电子以及栅极电子在栅漏间电场的作用下填充虚栅中的表面态是这些不同应 关键词： AlGaN/GaN HEMT器件 表面态(虚栅) 势垒层陷阱 应力     

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.     

场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理

在不同的漏偏压下，研究了钝化和不同场板尺寸AlGaN/GaN HEMT对电流崩塌的抑制能力.实验结果表明，钝化器件对电流崩塌的抑制能力随着漏偏压的升高而显著下降；在高漏偏压下，场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响，而合适尺寸的场板结构在各个漏偏压下都能够很好的抑制电流崩塌.深入分析发现，场板结构不仅能够抑制虚栅的充电过程，而且提供了放电途径，有利于虚栅的放电，从而抑制电流崩塌.在此基础上，通过建立场板介质对虚栅放电的模型，解释了高漏偏压下场板的尺寸对器件抑制崩塌的能力有较大影响的原因.     

60Co γ射线辐射对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

采用⁶⁰Co γ射线辐射源对非钝化保护的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了1 Mrad(Si)的总剂量辐射,实验发现辐射累积剂量越大,器件尺寸越小,器件饱和漏电流和跨导下降越明显,同时辐射后器件栅泄漏电流明显增大,而阈值电压变化很小. 对辐射前后器件的沟道串联电阻和阈值电压变化的分析表明,辐射感生表面态负电荷的产生是造成AlGaN/GaN HEMT器件电特性退化的主要原因之一. 关键词： AlGaN/GaN HEMT器件 γ射线辐射 表面态     

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%.     

Investigation of passivation effects in AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron-mobility transistor by gate-drain conductance dispersion study

This paper studies the drain current collapse of AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor high electron-mobility transistors (MIS-HEMTs) with NbAlO dielectric by applying dual-pulsed stress to the gate and drain of the device.For NbAlO MIS-HEMT,smaller current collapse is found,especially when the gate static voltage is 8 V.Through a thorough study of the gate-drain conductance dispersion,it is found that the growth of NbAlO can reduce the trap density of the AlGaN surface.Therefore,fewer traps can be filled by gate electrons,and hence the depletion effect in the channel is suppressed effectively.It is proved that the NbAlO gate dielectric can not only decrease gate leakage current but also passivate the AlGaN surface effectively,and weaken the current collapse effect accordingly.     

Fluorine-plasma treated AlGaN/GaN high electronic mobility transistors under off-state overdrive stress

Influences of off-state overdrive stress on the fluorine-plasma treated AlGaN/GaN high-electronic mobility transistors (HEMTs) are experimentally investigated. It is observed that the reverse leakage current between the gate and source decreases after the off-state stress, whereas the current between the gate and drain increases. By analyzing those changes of the reverse currents based on the Frenkel-Poole model, we realize that the ionization of fluorine ions occurs during the off-state stress. Furthermore, threshold voltage degradation is also observed after the off-state stress, but the degradations of AlGaN/GaN HEMTs treated with different F-plasma RF powers are different. By comparing the differences between those devices, we find that the F-ions incorporated in the GaN buffer layer play an important role in averting degradation. Lastly, suggestions to obtain a more stable fluorine-plasma treated AlGaN/GaN HEMT are put forwarded.     

Influence of Schottky drain contacts on the strained AlGaN barrier layer of AlGaN/AlN/GaN heterostructure field-effect transistors

Rectangular Schottky drain AlGaN/AlN/GaN heterostructure field-effect transistors (HFETs) with different gate contact areas and conventional AlGaN/AlN/GaN HFETs as control were both fabricated with same size. It was found there is a significant difference between Schottky drain AlGaN/AlN/GaN HFETs and the control group both in drain series resistance and in two-dimensional electron gas (2DEG) electron mobility in the gate-drain channel. We attribute this to the different influence of Ohmic drain contacts and Schottky drain contacts on the strained AlGaN barrier layer. For conventional AlGaN/AlN/GaN HFETs, annealing drain Ohmic contacts gives rise to a strain variation in the AlGaN barrier layer between the gate contacts and the drain contacts, and results in strong polarization Coulomb field scattering in this region. In Schottky drain AlGaN/AlN/GaN HFETs, the strain in the AlGaN barrier layer is distributed more regularly.     

阶梯AlGaN外延新型Al_(0.25)Ga_(0.75)N/GaNHEMTs击穿特性分析

为了优化AlGaN/GaN HEMTs器件表面电场,提高击穿电压,本文首次提出了一种新型阶梯AlGaN/GaN HEMTs结构.新结构利用AlGaN/GaN异质结形成的2DEG浓度随外延AlGaN层厚度降低而减小的规律,通过减薄靠近栅边缘外延的AlGaN层,使沟道2DEG浓度分区,形成栅边缘低浓度2DEG区,低的2DEG使阶梯AlGaN交界出现新的电场峰,新电场峰的出现有效降低了栅边缘的高峰电场,优化了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布,使器件击穿电压从传统结构的446 V,提高到新结构的640 V.为了获得与实际测试结果一致的击穿曲线,本文在GaN缓冲层中设定了一定浓度的受主型缺陷,通过仿真分析验证了国际上外延GaN缓冲层时掺入受主型离子的原因,并通过仿真分析获得了与实际测试结果一致的击穿曲线.     

The degradation and recovery properties of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors under direct current reverse step voltage stress

Direct current(DC) reverse step voltage stress is applied on the gate of an AlGaN/GaN high-electron mobility transistor(HEMT).Experiments show that parameters degenerate under stress.Large-signal parasitic source/drain resistance(RS/RD) and gate-source forward I-V characteristics are recoverable after breakdown of the device under test(DUT).Electrons trapped by both the AlGaN barrier trap and the surface state under stress lead to this phenomenon,and surface state recovery is the major reason for the recovery of device parameters.     

Breakdown mechanisms in AlGaN/GaN high electron mobility transistors with different GaN channel thickness values

In this paper,the off-state breakdown characteristics of two different AlGaN/GaN high electron mobility transistors（HEMTs）,featuring a 50-nm and a 150-nm GaN thick channel layer,respectively,are compared.The HEMT with a thick channel exhibits a little larger pinch-off drain current but significantly enhanced off-state breakdown voltage(SV_off).Device simulation indicates that thickening the channel increases the drain-induced barrier lowering（DIBL） but reduces the lateral electric field in the channel and buffer underneath the gate.The increase of BV_off in the thick channel device is due to the reduction of the electric field.These results demonstrate that it is necessary to select an appropriate channel thickness to balance DIBL and BV_off in AlGaN/GaN HEMTs.