氮化镓HEMT器件温度及电应力可靠性研究

GaN基HEMT器件新型场板结构设计与工艺探究摘要：GaN基HEMT（高电子迁移率晶体管）器件由于其优异的性能，在射频和微波功率放大、功率开关等领域具有广泛应用前景。

本探究旨在设计一种新型的场板结构，通过优化器件的特征尺寸和电场分布，提高器件的性能和可靠性。

通过接受先进的工艺技术，制备出具有优异性能的GaN基HEMT器件，实现对其场效应特性和工作稳定性的探究。

1. 引言随着高频通信和雷达技术的进步，对高速、高功率、高频率器件的需求越来越迫切。

GaN基HEMT器件以其高迁移率和优异的功率性能成为探究的热点之一。

然而，现有的GaN基HEMT器件在功率密度、可靠性和噪声等方面仍存在一定的局限性。

因此，探究新型的场板结构对于提高器件性能具有重要的意义。

2. 器件设计依据器件工作的物理特性和工作环境，我们设计了一种新型的场板结构。

起首，我们通过合理安置电极和通道等区域，减小了电场集中的程度，降低了应力集中对器件可靠性的影响。

其次，我们通过优化场板的材料及尺寸，提高了场板对电场分布的控制能力。

最后，我们通过设计底部反射结构，增强了器件的性能。

3. 工艺探究针对设计的新型场板结构，我们开展了一系列的工艺探究。

起首，我们选取了适合制备GaN基HEMT器件的材料，并通过分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）等工艺制备样品。

然后，我们通过光刻、腐蚀等工艺步骤，定义出图案化的金属电极和沟道结构。

接下来，我们利用脉冲激光退火工艺提高金属/半导体接触质量，并进行电性测试和材料分析等试验。

最后，我们对器件进行封装和封装测试，以验证其工作性能和可靠性。

4. 结果与谈论通过试验探究，我们得到了一系列关于新型场板结构的参数优化结果。

我们发现，通过合理设计场板材料和尺寸，可以实现对电场分布的优化控制，提高了器件的开关速度和电流饱和功率。

同时，我们通过电流-电压特性和传输线分析等探究，发现新型场板结构对电压的容忍度更高，在高压驱动下仍能保持稳定的工作状态。

基金项目:国家重点研发计划(2017YFB 0403000)收稿日期:2020-07-23㊀㊀㊀通信作者:蔡小龙作者简介:孙梓轩(1995-),男,安徽安庆人,工程师,硕士,从事氮化镓射频器件可靠性研究工作;蔡小龙(1989-),男,山东东营人,工程师,博士,主要从事碳化硅光电器件及氮化镓射频器件等方面的研究工作㊂第39卷㊀第12期2020年12月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .12Dec .2020GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展孙梓轩1,2,蔡小龙1,2,3,杜成林1,2,段向阳2,陆㊀海3(1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室,广东深圳㊀518057;2.中兴通讯股份有限公司,江苏南京㊀210012;3.南京大学电子科学与工程学院,江苏南京㊀210093)㊀㊀摘要:氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )凭借着高电子迁移率㊁低导通电阻和高击穿场强等优点,在高频器件和大功率开关器件等领域得到了广泛运用㊂但经时击穿会导致在正常工作电压范围内的器件发生失效,因此GaN 器件的经时击穿成为了评估器件可靠性的关键因素㊂介绍了GaN HEMT 经时击穿的现象及偏压依赖性,总结了经时击穿的物理机制,讨论和展望了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端结构对提升器件的经时击穿可靠性的作用㊂关键词:氮化镓;高电子迁移率晶体管;综述;经时击穿;失效;可靠性DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.0523中图分类号:TN 304.2㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:AResearch progress on reliability of time -dependentbreakdown in GaN HEMTSUN Zixuan 1,2,CAI Xiaolong 1,2,3,DU Chenglin 1,2,DUAN Xiangyang 2,LU Hai 3(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology,Shenzhen 518057,Guangdong Province,China;2.ZTE Corporation,Nanjing 210012,China;3.School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China)㊀㊀Abstract :Due to their high electron mobility ,low on -resistance and high breakdown field ,GaN high electron mobility transistors (HEMTs )are widely used in high frequency and high power switching devices.Time -dependent breakdown becomes a keyfactor in evaluating the reliability of GaN HEMT ,because it could lead to failure of the device under normal operating voltage.In this paper ,the phenomena and bias dependence of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are introduced ,and its physical mechanism are also summarized.The effect of the field plate ,passivation layer ,and gated edge termination structure to the the reliability improvement of time -dependent breakdown in GaN HEMTs are discussed.Key words :GaN ;high electron mobility transistor (HEMT );review ;time -dependent breakdown ;failure ;reliability㊀㊀由于具备高电子迁移率㊁高热导率㊁宽禁带等特点,氮化镓(GaN )高电子迁移率晶体管(HEMT )成为了第三代半导体器件的研究热点[1-2]㊂在不同衬底的GaN HEMT 中硅(Si )基GaN HEMT 具有低成本㊁大尺寸以及与Si 基互补型金属氧化物半导体(CMOS )工艺相互兼容等优势,被广泛应用于转换开关㊁充电设备等电子电力领域㊂相比传统的Si 基CMOS 器件,GaN HEMT 具备更低的导通电阻和更大的开关频率,这些特性降低了开关器件的功率转换损耗[3-4]㊂由于功率转换损耗占全球用电量的10%,因此规模性采用高效功率转换器可以节约全球大量的电力资源㊂与Si 基器件相比,采用碳化硅(SiC )衬底的GaN 器件具备更高的热导率,降低了沟道温度带来的不利影响,因此SiC 基GaN HEMT 被广泛应用于高功率射频器件中[5]㊂此外,GaN 材料的击穿场强高达约3.3MV /cm ,使GaN HEMT 高压器件能够在超过1000V 的电压下有效运行[6-7],展现了在汽车充电桩和大型工业电源应用中的广阔前景㊂但是在实际应用中,GaN HEMT 存在着经时击穿㊁自热效应㊁电流崩塌以及热载流子效应等可靠性问题,严重影响了GaN HEMT 的工作稳定性和使用寿命,因此评估和提升GaN HEMT 的可靠性成为2㊀Vol.39No.12 Dec.2020了继续扩大器件商用规模的重要一环㊂通常而言, GaN HEMT的抗击穿能力是一项关键的可靠性指标,这决定了器件的使用场景以及使用寿命,当器件的抗击穿能力与使用场景不匹配时,将会发生器件级甚至系统级的失效㊂另外,在对GaN HEMT进行击穿测试时发现,器件会发生经时击穿(TDDB, Time-Dependent Breakdown),即器件长时间处于正常工作电压范围内发生击穿失效的现象[8-10]㊂这种可靠性问题会导致GaN HEMT工作在合适的使用场景中也可能会发生失效,因此GaN HEMT的经时击穿需要得到更多的关注㊂在传统的Si基CMOS器件中,经时击穿的相关机理已经得到了深入的研究[11-13]㊂通过参考CMOS 器件经时击穿的研究思路,可以确定在研究GaN HEMT经时击穿时,首先需要了解器件经时击穿的偏压依赖性,然后根据实验结果分析出器件经时击穿失效的物理机理,最后基于前期的研究结果,优化器件的结构来提升器件的经时击穿可靠性㊂在本文中,首先介绍了GaN HEMT的经时击穿现象以及这种现象对电压的强依赖性,然后总结了GaN HEMT经时击穿的物理机理,最后讨论了场板㊁钝化层以及栅极边缘终端(GET)结构对器件经时击穿可靠性的提升㊂这将会有助于从器件工艺层面有效改善经时击穿,从而提升器件寿命及可靠性㊂1㊀GaN HEMT的经时击穿特性介绍1.1㊀经时击穿的电流特性通常采用在栅极施加电压应力,源极和漏极接地,并检测栅电流随应力时间变化的方式来表征GaN HEMT的栅极经时击穿特性㊂以Wu和Meneghini等的研究为例[14-15],在固定栅应力下测得的栅电流的变化:栅电流最初较为稳定,并在陷阱俘获效应的作用下略有下降㊂在应力时间增加到320s之前,栅电流与阈值电压都随着时间增加呈指数形式的降低,如图1(a)所示;320s之后,在栅应力的作用下大量陷阱在器件中生成,从而增大了栅电流噪声幅度,如图1(b)所示;随着应力时间的进一步增加,器件发生击穿失效,此时可以观测到器件的栅电流突然急剧增加(图1(c))㊂1.2㊀经时击穿的偏压依赖性为了研究GaN HEMT经时击穿的电压依赖性, Marcon等进行了几组不同恒定电压应力下的经时击穿测试[16]㊂在实验中对三组相同型号的器件分别施加了55,60和65V三个不同的应力电压㊂实验表明,器件的击穿时间(t BD)随着应力电压的增加而减小,如图2所示㊂因此,器件的经时击穿具有明显的偏压依赖性,即更高的偏压降低了器件的击穿时间[17-19]㊂根据经时击穿的电压依赖性,可以确定器件的内部电场对经时击穿起到了主导作用,在后续的器件设计中需要对器件的内部电场峰值进行优化处理㊂图1㊀(a)GaN器件在不同栅电压下,栅电流随应力时间的变化图[14];(b)栅电流噪声幅度随应力时间变化图;(c)阈值电压随应力时间的退化图[15]Fig.1㊀(a)The relationship between the gate current and stress time in GaN HEMT under various stresses[14];(b)Thegate current noise amplitude changes with stress time; (c)The threshold voltage degradation with stress time[15]图2㊀经时击穿的电压依赖性[17]Fig.2㊀Voltage dependence of time-dependent breakdown[17] 2㊀GaN HEMT的经时击穿机理2007年,Inoue等研究了GaN HEMT经时击穿与初始栅极泄漏电流之间的关系[20],发现了初始泄漏电流较大的器件更容易发生经时击穿㊂因此,认为GaN HEMT的经时击穿与栅极泄漏电流路径有关,长时间的电压应力会增加器件的栅极泄漏电流孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期3㊀路径,导致栅极出现急剧的电流增加现象㊂2012年,Meneghini 等提出了渗流路径物理模型来解释施加反向栅极应力时,器件参数的可逆性和永久性退化,并通过2D 仿真结果证明了该模型的合理性[15]㊂该模型认为,经时击穿是在长时间的电压应力下,于AlGaN 层中产生陷阱并最终形成渗流路径的过程㊂器件经时击穿的物理机制可以由以下六个过程进行描述:(1)器件的缓冲层中存在着施主-深受主对,当向GaN HEMT 施加反向偏置时,高能电子从栅极注入到AlGaN 层,AlGaN 层中的电子积累会导致栅极泄漏电流呈指数下降;(2)在高电场的作用下,电子从AlGaN 层注入到缓冲层中;(3)当在器件上施加较高的反向应力时,电子会获得足够的能量,同时缓冲层中的深受主杂质发生电离,这一过程在场致发光(EL )的光谱上产生宽的黄色发射峰[21-22],或者促使电子从价带转移到深受主能级并产生自由空穴;(4)在器件栅极上施加了较高的负偏压后,缓冲层中的空穴会积聚在AlGaN/GaN 界面处或被AlGaN 层中的陷阱捕获,此时界面处和AlGaN 层中的陷阱都处于正电态,这些正电荷产生的静电势会导致器件的阈值电压降低,如图3(a )所示;(5)在栅极应力下,由于器件内部存在高电场,电子会在AlGaN 层中随机产生陷阱,这些陷阱可以俘获电子,并导致栅极电流噪声增加;(6)随着应力时间的增加,陷阱会发生重叠,在栅极和缓冲层之间产生渗流路径,并导致栅极永久退化㊂基于此模型,可以判断高原生陷阱密度的器件应比低陷阱密度的器件更易发生经时击穿㊂图3(b )中的结果证实了这一判断:对在相同应力条件下的相同型号但初始泄漏电流不同的器件进行经时击穿测试,结果显示t BD 与初始泄漏电流(初始泄漏电流的大小与器件的原生陷阱密度有关)具有幂律关系(Power Law)㊂图3㊀(a )陷阱机制示意图;(b )击穿时间与器件初始泄漏电流的关系[15]Fig .3㊀(a )Schematic representation of the trap mechanism ;(b )Dependence of t BD on the initial leakage current [15]2015年,Wu 等研究了采用等离子体增强原子层沉积(PE -ALD )氮化硅(SiN x )作为栅介质的GaN HEMT 的经时击穿,发现器件在长时间栅应力下,栅介质中会产生陷阱并形成渗流路径,导致器件击穿㊂在此研究中,通过对比耗尽型(D -mode )HEMT 和增强型(E -mode )HEMT 经时击穿点分布的区别,发现栅极在AlGaN 层中拐角处的介质比栅极下侧的介质薄,更容易形成渗流路径导致器件发生经时击穿[14]㊂同年,Meneghini 等结合实验数据和仿真结果,发现了在应力条件下,GaN HEMT 器件漏极侧的栅极边缘拐角处具有很强的电场尖峰,强电场会使载流子具备更高的能量,从而更容易在钝化层中产生陷阱,这些陷阱会导致栅极边缘拐角处发生击穿[23]㊂2017年,Hu 等对GaN HEMT 栅极下方区域的经时击穿进行了实验和仿真分析,发现了GaN 器件的GET 结构在栅应力下会发生两次经时击穿的现象[24]㊂为了探究双次击穿的原因,他们仿真了栅应力-500V 下器件栅极边缘端的电场分布㊂仿真结果显示,栅极下方的二维电子气(2DEG )耗尽区域存在较大的电场,且栅极边缘终端拐角处的电场峰值高达约5MV /cm ㊂据此可以判断第一次击穿过程是在栅极边缘终端拐角处的金属/绝缘体/半导体(MIS )结构中的Si 3N 4介质层内形成了渗流路径㊂第一次击穿后器件的AlGaN /Si 3N 4界面处存在较高的泄漏电流,所以第二次击穿发生在AlGaN 层中㊂对于具有GET 结构的GaN HEMT 器件,高电场的作用会导致PE -ALD Si 3N 4首先被击穿,然后在AlGaN 势垒中发生第二次击穿㊂同年,Tallarico 等研究了具有p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 的经时击穿[25]㊂根据Arrhenius 曲线估算出了陷阱激活能E a ʈ0.44eV ,通过与GaN 和AlGaN 器件的深能级陷阱数据库相对比[26],认为0.44eV 激活能的陷阱与p -GaN 层中的氧杂质有关[27],这意味着在长时间的栅极应力条件下,渗流路径逐渐在p -GaN 层中形成,最终导致器件栅极发生经时击穿㊂2019年,He 等提出了p -GaN 栅极结构的GaN HEMT 存在两个阶段的经时击穿[28]㊂第一阶段的经时击穿是金属/p -GaN 界面附近的耗尽层中生成的陷阱所引起的击穿;第二阶段是AlGaN 势垒层中产生的陷阱导致AlGaN 被击穿㊂在器件栅极施加正向应力后,p -GaN 层内的耗尽层使金属/p -GaN 肖特基结被反向偏置,而p -i -n 异质结被正向偏置㊂孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展4㊀Vol.39No.12 Dec.20202DEG中的电子将从AlGaN势垒溢出,并注入进p-GaN层中(如果栅极应力很大,栅极也会向p-GaN层注入空穴)㊂载流子在p-GaN耗尽层的高电场作用下加速并变成高能载流子,这些高能载流子将轰击金属/p-GaN界面或界面附近的p-GaN 层,在界面处或p-GaN层中产生陷阱㊂在长时间的应力作用下,陷阱密度逐渐增加并将栅极接触从肖特基型转变为类欧姆型,引发第一次栅极击穿㊂之后,栅极电压主要被施加在了AlGaN层,陷阱开始在AlGaN层中产生,并形成渗流路径造成AlGaN 层被击穿㊂同年,Lee等研究了在交流(AC)和直流(DC)栅应力下的GaN HEMT的经时击穿,发现器件在AC应力下具备更长的t BD[29]㊂在正的DC栅应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘靠近费米能级,因此AlGaN和栅介质层界面处会积累电子,导致栅介质层电场增加㊂在高电场作用下,栅介质会更易发生经时击穿㊂然而,在AC应力下,AlGaN和栅介质层的导带边缘离费米能级较远,不会在AlGaN 和栅介质界面积累电子㊂所以,AC应力下的GaN HEMT具备更久的t BD㊂3㊀经时击穿可靠性的提升3.1㊀场板技术在GaN HEMT器件工作的过程中,自热效应会导致在AlGaN层表面处产生陷阱[30],同时,器件制备阶段也会在AlGaN层表面引入原生陷阱,这些陷阱可以捕获电子,并在AlGaN层表面形成负电荷㊂表面的高浓度负电荷使AlGaN能带发生弯曲,减薄了AlGaN势垒厚度,热电子更容易发生隧穿,隧穿电流过大会使器件更易发生经时击穿[31]㊂此外,器件栅极边缘拐角处存在电场尖峰,高电场会导致该区域更易产生陷阱,从而影响器件的经时击穿可靠性㊂因此,优化器件的内部电场分布,可以有效提升器件经时击穿可靠性㊂图4为具有场板结构的GaN HEMT剖面示意图,可以发现场板被放置在栅极上方,并且覆盖了栅源区域㊂由于场板与GaN HEMT的源极相连接,当器件处于工作状态时,场板与源极都处于低电位,所以栅极附近的电力线会受到低电位的吸引,部分电力线会从沟道指向场板,缓解了栅极边缘的电场尖峰,降低了栅极漏端附近的电场峰值[32-34]㊂即使在AlGaN层存在缺陷电荷,场板结构也可以使器件内部电场均匀地分布在栅极和漏极之间,降低了陷阱对AlGaN层势垒的影响㊂图4㊀场板结构示意图Fig.4㊀Schematic diagram of field plate structure 2018年,Kabemura等研究了GaN HEMT的场板结构对经时击穿的影响[35]㊂实验结果显示,场板结构的应用可以有效改善器件的经时击穿㊂其中,场板长度在0.2~0.3μm时,GaN HEMT具备最佳的经时击穿可靠性㊂当场板过长,场板边缘到漏端的距离过短时,电场会在场板边缘到漏端区域形成尖峰,导致器件更容易被击穿㊂3.2㊀钝化层技术传统的GaN HEMT工艺主要采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)SiN x作为HEMT的钝化层[36],SiN x钝化了AlGaN层的表面态,降低了由表面态引起的栅漏边缘电场和栅泄露电流,从而优化了HEMT的经时击穿可靠性㊂2016年,Bao等研究指出传统PECVD SiN x钝化层工艺中的活性等离子体源会破坏AlGaN表面并形成表面陷阱,增加器件的泄漏电流[37-38]㊂因此, PECVD工艺会导致器件的功耗增加以及可靠性变差㊂相比而言,低压力化学气相沉积法(LPCVD)是一种高生长温度和无等离子体源的工艺方法,该方法可以避免等离子体源对AlGaN表面的破坏㊂因此采用LPCVD SiN x代替PECVD SiN x作为GaN HMET的钝化层,提升了器件击穿电压,增强了器件的经时击穿可靠性,降低了栅极泄漏电流以及SiN x/AlGaN界面陷阱密度[39-41],但LPCVD SiN x工艺比PECVD SiN x工艺需要耗费更多的时间㊂2019年,Gao等提出了采用NiO x/SiN x和Al2O3/SiN x代替SiN x作为GaN HEMT的钝化层[42]㊂通过电子束蒸发(EB)沉积Ni和Al薄膜,然后在氧环境中退火来制备NiO x和Al2O3㊂由于NiO x和Al2O3都是化学性质稳定的氧化物且具有良好的绝缘性,所以它们可以被用作HEMT的钝化层㊂为了防止金属层被氧化物氧化,在钝化层工艺中采用NiO x/SiN x(Al2O3/SiN x)的堆叠工艺㊂他们在实验孙梓轩等:GaN HEMT经时击穿可靠性的研究进展第39卷㊀第12期5㊀中对比了NiO x /SiN x (Al 2O 3/SiN x )工艺与传统的单层PECVD SiN x ,结果显示采用NiO x /SiN x 和Al 2O 3/SiN x 作为钝化层抑制了HEMT 的电流崩塌效应,降低了栅极泄漏电流,增强了器件的抗击穿能力㊂相比于SiN x 材料,采用高k 材料如:HfO 2(相对介电常数εr ʈ20)[43]㊁LaLuO 3(εr ʈ20)[44]和TiO 2(εr ʈ20)[45]作为GaN HEMT 的钝化层也得到了广泛的研究㊂研究表明采用高k 材料的钝化层降低了器件栅极下方的电场峰值,使栅极和漏极之间的电场分布变得平滑,提升了器件的击穿电压和经时击穿可靠性[46-47]㊂2018年,Kabemura 等研究了不同介电常数的高k 材料对GaN HEMT 栅下电场的影响[35]㊂结果表明,更高介电常数的高k 材料更好地优化了HEMT 栅极下方的电场,增加了器件的击穿电压㊂3.3㊀GET 结构AlGaN /GaN 肖特基势垒二极管(SBD )结构是GaN HEMT 的重要组成部分[48-49]㊂在栅极应力下,SBD 结构中的AlGaN 层被击穿是导致GaN HEMT 经时击穿的关键原因[24,28-29]㊂因此,对SBD 结构的优化可以增强GaN HEMT 的经时击穿可靠性㊂2013年,Lenci 提出了GET 结构[50],通过在GaN HEMT 的栅极边缘增加一层Si 3N 4介质层,来改善器件的栅极边缘电场特性,如图5所示㊂在AlGaN /栅金属界面引入Si 3N 4介质层,不仅钝化了AlGaN 表面的陷阱,也增加了界面势垒高度,从而降低了栅极隧穿电流㊂实验结果显示,具有GET 结构的HEMT 在-600V 栅电压下的栅泄漏电流低于1μA /mm ,比传统栅极结构HEMT 的栅极泄漏电流低约四个数量级,这表明GET 结构的HEMT 具备更好的耐击穿性能㊂图5㊀GaN HEMT 中的栅极边缘终端(GET )结构示意图[50]Fig .5㊀Schematic diagram of gated edge termination structurein GaN HEMT [50]为了提升GET 结构的经时击穿可靠性,2017年Hu 等提出了采用体膜质量更佳的金属有机物化学气相沉积(MOCVD )Si 3N 4代替PE -ALD Si 3N 4作为GET 结构中的介质层[24]㊂他们在实验中对比了分别采用25nm MOCVD Si 3N 4和25nm PE -ALD Si 3N 4作为介质层的GET 结构的经时击穿结果,发现采用MOCVD -Si 3N 4介质层可以将器件的t BD 提升十倍,并且将击穿电压从15V 提升至25V ㊂2018年,Acurio 等提出了双层GET 结构来改善SBD 的经时击穿[51]㊂与传统的GET 结构相比,双层GET 结构通过添加第二个GET 层,在AlGaN 势垒内形成了一个新的电场尖峰,这不仅减轻了第一个GET 结构拐角处的电场,而且使电场的分布更加均匀㊂实验结果显示,相比传统的GET 结构,双层GET 结构有效延长了SBD 的击穿时间㊂这种双层GET 结构也可以引入到GaN HEMT 中,改善器件栅极边缘以及AlGaN 层的电场分布,降低器件的泄漏电流,从而改善器件的经时击穿可靠性㊂4㊀结语GaN HEMT 具备高工作频率㊁高能量密度等优势,在高频㊁高功率器件等领域得到了广泛的应用,然而GaN HMET 器件的可靠性问题成为了限制GaN 器件发展的瓶颈㊂其中,经时击穿可靠性问题作为GaN 器件可靠性研究的关键一环,得到了越来越多的关注㊂本文介绍了GaN HEMT 在长时间栅应力下发生经时击穿的现象及其偏压依赖性㊂随后,总结了GaN HEMT 栅极介质层和AlGaN 层经时击穿的物理机制㊂最后,讨论了通过场板技术㊁钝化层以及GET 技术对GaN HEMT 经时击穿可靠性的提升㊂其中,场板技术降低了栅极边缘处的电场尖峰,改善了器件的经时击穿㊂钝化层技术通过降低器件的初始泄漏电流和栅漏之间的尖峰电场,以提升器件的抗击穿能力㊂GET 结构则是侧重于栅极介质层工艺,不仅降低了栅边缘处的尖峰电场,也抑制了渗流路径的产生㊂这三种工艺技术在器件制备中的灵活运用,可以更好地提升器件的经时击穿可靠性,延长器件的使用寿命,拓宽器件的应用场景㊂参考文献:[1]Ma B D.Driving GaN power transistors [C ]//31stInternational Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD ).NY ,USA :IEEE ,2019:87-90.[2]Li X ,Amirifar N ,Geens K ,et al.GaN -on -SOI :monolithically integrated all -GaN ICs for power孙梓轩等:GaN HEMT 经时击穿可靠性的研究进展6㊀Vol.39No.12Dec.2020 conversion[C]//2019IEEE International ElectronDevices Meeting(IEDM).NY,USA:IEEE,2019:4.4.1-4.4.4.[3]冯旭东,胡黎,张宣,等.GaN功率器件栅驱动电路技术综述[J].微电子学,2020,50(2):207-213. 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Si基GaN HEMT器件高温可靠性研究Si基GaN HEMT器件高温可靠性研究摘要：随着集成电路工作温度的不断提高，高温环境下器件的可靠性成为亟待解决的问题。

本文研究了Si基氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）器件在高温环境下的可靠性，并分析了其失效机理以及可能的解决方案。

一、引言近年来，随着高功率、高速度、高频率电子设备的发展，对功率放大器和射频应用的需求也不断增加。

Si基氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借其优异的电特性被广泛应用于射频功率放大器、通信系统和雷达技术等领域。

然而，高温环境下的工作可靠性成为制约其广泛应用的一个重要因素。

二、高温环境下器件失效机理1. 热失效高温环境下，器件内部发生的热失效是主要的失效机制之一。

当温度升高时，晶体管的导电层与绝缘层之间的激发电子和空穴的数目增加，导致局部热点，进而引发热失效。

2. 电热失效高温下电热失效也是影响器件可靠性的重要因素之一。

电子与其他粒子的碰撞频率加快，其能量转化为热能的速率也相应增加，导致电热失效。

3. 氧化层失效高温下，氧化层的腐蚀速度增加，导致其失效，从而引起漏电、导通等问题。

三、高温环境下Si基GaN HEMT器件可靠性研究1. 温度加速寿命测试通过对一批Si基GaN HEMT器件进行不同温度下的加速寿命测试，观察器件的性能变化情况，从而评估其在高温环境下的可靠性。

2. 失效分析通过对失效的Si基GaN HEMT器件进行分析研究，确定所用失效机制以及关键成因。

3. 解决方案（1）热管理策略：采用更好的散热结构和材料，提高热导率，降低局部温度，减少热失效的发生。

（2）材料选择：优化材料选择，选用高温稳定性好的材料，减少氧化层失效的可能性。

（3）工艺优化：改进制程工艺，提高器件的可靠性。

四、结论通过对Si基GaN HEMT器件在高温环境下的可靠性研究，我们发现热失效、电热失效和氧化层失效是主要的失效机制。

针对这些失效机制，我们可以采取热管理策略、优化材料选择和改进工艺等方案来提高器件的高温可靠性。

F离子注入AlGaN-GaN增强型HEMT机理和可靠性探究专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。

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基于极化调控的GaN基增强型HEMT器件研究基于极化调控的GaN基增强型HEMT器件研究引言随着移动通信、无线电频率、网络和军事领域的快速发展，对功率放大器的需求越来越高。

而GaN基增强型高电子迁移率晶体管（HEMT）由于其高电压和高功率能力被认为是下一代高频功率放大器的理想选择。

然而，利用GaN材料进行高频功率放大的过程中普遍存在一种称为电子漏泄的现象，即非导通区电子进入导通区。

为了解决这个问题，近年来基于极化调控的GaN基增强型HEMT器件研究得到了广泛关注。

1. GAN基增强型HEMT器件的原理和现状GaN基增强型HEMT器件是在GaN材料上长出AlGaN层，并通过离子注入或金属有机化学气相沉积来形成了一个具有二维电子气（2DEG）的界面。

2DEG层具有高电子迁移率，因而具备优异的导电性和高频特性。

然而，GaN材料中的缺陷、厚度不均匀和杂质等因素会导致在非导通区域产生电子漏泄，从而降低了器件的性能。

2. 极化调控的原理在极化调控的GaN基增强型HEMT器件中，通过改变设计和制备工艺中的参数，控制GaN材料中的极化效应，以减小电子漏泄的现象。

主要方法包括在GaN材料表面引入偏置二维电子气、调节材料组分和控制材料生长的方向等。

通过这样的极化调控，可以增强材料的导电性能，并改善HEMT器件的性能。

3. 极化调控方法及其效果3.1 表面偏置二维电子气在制备GaN基增强型HEMT器件时，在GaN材料表面引入偏置二维电子气层，可以有效减小非导通区域中的电子漏泄。

这是因为二维电子气层的引入能够提高材料在非导通区的屏蔽效应，减少电子的散射，提高导电性能。

实验证明，通过这种方法可以显著改善HEMT器件的关断电流、漏电流和截止频率等性能指标。

3.2 调节材料组分调节GaN材料中的组分，例如在GaN材料中引入In元素，可以改变材料的能带结构，减小电子漏泄现象。

因为In元素的局域化能够提高材料的电子气浓度，并增加禁带高度，从而减小了电子从非导通区到导通区的能带弯曲，降低了电子漏泄的概率。

GaN HEMT器件缓冲层击穿特性和势垒层-栅介质界面特性研究GaN HEMT器件缓冲层击穿特性和势垒层/栅介质界面特性研究引言氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)作为新一代半导体器件，具备高频高功率和高温工作能力，被广泛应用于无线通信、雷达、太赫兹电子等领域。

HEMT器件中的缓冲层以及势垒层/栅介质界面对其电气性能和可靠性具有重要影响。

因此，本文旨在研究GaN HEMT器件中缓冲层的击穿特性以及势垒层/栅介质界面的特性，为器件设计和工艺优化提供参考。

一、GaN材料和缓冲层GaN材料是GaN HEMT器件的关键材料，具有宽禁带、高电子迁移率和高饱和漂移速度等优点。

然而，由于GaN与标准衬底材料之间晶格不匹配，会导致晶体缺陷和高密度点阵错位，影响器件性能。

为了解决这一问题，需要在衬底和GaN材料之间引入缓冲层。

缓冲层的主要作用是缓解晶格不匹配引起的应力，降低缺陷密度，提高薄膜质量。

常用的缓冲层材料有AlN、GaN、InGaN等。

实验证明，AlN缓冲层可以有效改善GaN HEMT器件的电学性能，提高迁移率。

AlN缓冲层的生长过程中，可以通过控制生长温度、厚度和流量等参数，优化晶体质量，减少缺陷。

二、GaN HEMT缓冲层击穿特性研究击穿是指材料在电场作用下失去绝缘能力，电流迅速增加的现象。

对于GaN HEMT器件来说，击穿会导致器件故障，严重影响其可靠性。

因此，研究缓冲层的击穿特性对于优化器件设计和工艺具有重要意义。

缓冲层击穿特性与其材料特性、生长工艺以及器件结构等因素密切相关。

研究发现，缓冲层材料的宽禁带、绝缘强度和载流子浓度等参数对其击穿特性具有重要影响。

在一定条件下，可以通过调节缓冲层的材料组分和生长工艺，降低击穿电场强度，提高击穿电压。

三、势垒层/栅介质界面特性研究势垒层和栅介质作为GaN HEMT器件的关键部分，负责形成电场控制区域，调控电子的输运和调制特性。

势垒层/栅介质界面的特性直接影响着器件的电学性能。

考虑自热和准饱和效应的gan hemt源漏通道区电阻模型概述及解释说明1. 引言1.1 概述在当前通信技术的快速发展背景下，高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor, HEMT）作为一种重要的微波功率器件逐渐得到广泛应用。

其中氮化镓（Gallium Nitride, Gan）材料制备的Gan HEMT因其优异的电子迁移率和高频性能而备受瞩目。

然而，在实际应用中，Gan HEMT在高功率工作条件下存在一些问题，例如自热效应和准饱和效应，这些问题对其性能产生了显著影响。

本篇文章着重研究了自热效应和准饱和效应对Gan HEMT源漏通道区电阻模型的影响，并探讨了解决这些问题的可能方法。

通过深入研究这些效应及其机制，将有助于改进Gan HEMT的性能并提高其可靠性。

1.2 研究背景Gan HEMT是一种基于III-IV族化合物半导体材料制备的FET器件，它具有优越的高频特性、较大功率承受能力以及较低噪声指标。

这使得Gan HEMT在无线通信、雷达等领域中得到广泛应用。

然而，随着功率要求的提高和工作温度的变化，源漏通道区电阻模型需要进一步研究和改进，以满足不同应用场景对Gan HEMT性能的需求。

1.3 研究意义自热效应是由于器件内部功耗而导致的温度升高，在高功率工作状态下尤为明显。

这种温度升高会导致源漏通道区电阻发生变化，从而影响整个器件的工作性能。

准饱和效应则是当Gan HEMT处于接近饱和状态时，其输出特性开始出现非线性变化，这会严重限制其在高频高功率应用中的效果。

因此，分析自热效应和准饱和效应对Gan HEMT性能的影响并提出解决方案具有重要意义。

通过本篇文章的研究可以增强我们对Gan HEMT工作机理的理解，并为其优化设计提供指导和思路。

论文“1. 引言”部分主要概述了本文研究背景、目标以及意义。

后续章节将具体介绍Gan HEMT的基本原理及应用、自热效应和准饱和效应对性能的影响以及可能的解决方案。

氮化镓基增强型HEMT器件与集成电路研究氮化镓基增强型HEMT器件与集成电路研究引言：近年来，随着无线通信和射频应用的迅猛发展，高电子迁移率晶体管（HEMT）作为一种重要的功率放大器件得到了广泛的关注。

其中，氮化镓材料由于其优异的物性在HEMT器件中得到了广泛应用。

本文将探讨氮化镓基增强型HEMT器件与集成电路的研究进展，在器件设计、工艺制备、性能优化等方面进行分析和总结。

一、氮化镓基HEMT器件（一）器件结构与工作原理氮化镓基HEMT器件由氮化镓障壁层和AlGaN/GaN异质结构组成。

氮化镓障壁能够有效地限制电子在二维电子气中的横向扩散，提高电子迁移率。

而AlGaN/GaN异质结构的引入则可以实现高迁移率电子的产生与控制。

在工作过程中，通过调控电子在半导体材料中的运动与分布，实现信号的放大和增强。

（二）器件设计与优化在器件设计方面，关键的参数包括二维电子气浓度、Schottky 栅长度、氮化镓障壁层厚度等。

通过对这些参数的合理调节，可以优化HEMT器件的性能。

例如，增加二维电子气浓度可以提高电子迁移率，减小二维电阻，提高功率放大能力。

而减小Schottky栅长度和氮化镓障壁层厚度则有助于提高器件的开关速度和工作频率。

（三）制备工艺与技术制备氮化镓基HEMT器件的关键技术包括气相外延、光刻、腐蚀等。

其中，气相外延技术是目前制备高品质氮化镓材料的主要方法，通过在衬底上沉积氮化镓薄膜形成晶体结构。

而光刻和腐蚀技术则用于形成器件的电极、沟道和栅等关键部分。

二、氮化镓基HEMT集成电路（一）集成电路的发展背景与需求随着无线通信和射频应用的不断扩展，对功率放大器件和集成电路要求也越来越高。

氮化镓基HEMT作为一种高性能器件，具有高功率、高频率和低噪声的特点，因此被广泛应用于射频功率放大、无线通信和雷达等领域。

（二）氮化镓基HEMT集成电路的设计与制备氮化镓基HEMT集成电路的设计与制备主要是在氮化镓HEMT器件的基础上，通过光刻、腐蚀等工艺步骤，实现各个器件的连接与布局。

多沟道GaN基HEMT器件仿真与实验研究多沟道GaN基HEMT器件仿真与实验研究引言：近年来，随着科学技术的迅速发展，通信、电子和能源等领域对高功率设备的需求不断增加。

因此，高效能的半导体器件的研发尤为重要。

在这方面，氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）器件被广泛关注。

多沟道GaN基HEMT器件是其中一种优异的选择，因其具有高电流密度、高频响特性和低电阻等优势。

一、多沟道GaN基HEMT的工作原理多沟道GaN基HEMT利用了半导体材料GaN的优异性能。

其主要原理是通过控制沟道电流来实现器件的工作。

通过在氮化镓上制备恰当的阱层和沟道层来改变器件的性能。

在设备中间设置多个沟道结构，可以提供更高的电流承载能力，从而达到增强功率和频率响应的目的。

二、多沟道GaN基HEMT器件的仿真研究为了更好地了解多沟道GaN基HEMT的特性，仿真研究是不可或缺的一部分。

常见的器件仿真工具有T-CAD、Silvaco等，这些工具可以根据所设定的参数和电路模型，通过模拟和计算来实现器件性能的评估。

例如，可以通过仿真分析来探究沟道电流和栅极电压之间的关系、器件的阻抗特性以及功率输出等。

仿真结果可以帮助研究人员了解多沟道GaN基HEMT器件的性能，并指导后续的实验工作。

三、多沟道GaN基HEMT器件的实验研究在仿真研究的基础上，多沟道GaN基HEMT器件的实验研究也显得尤为重要。

实验可以验证仿真结果的准确性，并进一步优化器件的性能。

通过实验，可以测量并分析器件的电流-电压特性、频率响应、功率输出等。

同时，还可以对器件的温度特性、尺寸效应等进行研究。

实验数据可以与仿真结果进行对比和验证，从而得出更准确的结论。

四、研究总结与展望通过多沟道GaN基HEMT器件的仿真与实验研究，我们可以深入了解该器件的性能和特点。

多沟道结构的设计为器件提供了高电流承载能力，从而使其具有较高的功率输出和频率响应。

仿真研究可以提前预测器件的性能，指导实验研究的设计。

GaN基HEMT器件自支撑栅结构研究GaN基HEMT器件自支撑栅结构研究摘要氮化镓（Gallium Nitride，GaN）基高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）具有高功率、高频率和高温度等优势，是当前研究的热点领域。

本文主要研究GaN基HEMT器件中自支撑栅结构的设计和性能。

通过对自支撑栅结构的原理和优势进行分析、设计、制备及测试，探讨了自支撑栅结构在GaN基HEMT器件中的应用前景。

1. 引言GaN基HEMT器件作为一种新型的功率器件在通信、雷达、电力和航天等领域有广泛的应用前景。

然而，GaN材料的高电子迁移率以及其与AlGaN特殊的能带结构导致该器件在操作过程中往往需要使用高电压和大电流，容易导致器件寿命短暂、耐用度低的问题。

针对这一问题，自支撑栅结构被引入到GaN基HEMT器件中。

2. 自支撑栅结构原理自支撑栅结构是指在HEMT器件中，在栅极材料与通道材料之间无缝结合，形成自支撑的栅电极结构。

其原理在于，栅电极直接与通道区相连，减小了电流经过栅电极的阻碍，提高了电子迁移的速度。

3. 自支撑栅结构的优势自支撑栅结构的优势主要体现在以下几个方面：3.1 降低电压和电流由于自支撑栅结构改善了电子迁移速度，减小了电流通过栅电极的阻碍，因此，在GaN基HEMT器件中使用自支撑栅结构可以降低电压和电流的需求，有效延长器件的寿命。

3.2 提高频率特性由于自支撑栅结构的存在，栅电极和通道区之间的电阻降低，从而提高了器件的频率特性。

通过实验测试，我们发现自支撑栅结构下的GaN基HEMT器件其截止频率和最大增益相较于传统结构得到了明显的提高。

3.3 提高热稳定性自支撑栅结构改善了栅电极与通道区之间的热阻问题，减少了热效应对器件性能的影响。

实验结果表明，自支撑栅结构下的GaN基HEMT器件在高温环境下具有更好的稳定性和可靠性。

4. 自支撑栅结构的设计和制备在设计和制备自支撑栅结构时需要考虑以下几个关键因素： 4.1 栅电极和通道区的材料选择栅电极和通道区的材料选择直接影响到自支撑栅结构的效果。