氮化镓基高电子迁移率晶体管逆压电可靠性研究

摘要

由于 GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高击穿电压、高载流子密度、高载流子饱和速度等优势，目前已在高频大功率器件应用领域取得了广泛的关注。然而，目前可靠性问题仍然是阻碍 GaN基 HEMT器件进一步推广的主要原因。由于GaN基HEMT器件通常工作于高压大功率条件，逆压电效应成为影响器件可靠性的重要因素之一。本文首先结合理论分析以及软件仿真，建立了GaN基HEMT器件逆压电效应的物理模型；其次通过合理设计实验方法以及版图结构，对器件的逆压电效应进行了测试，并对逆压电效应引起器件退化的物理机制进行了分析；再次研究了SiN钝化介质对器件逆压电效应的影响，以及在正向栅压应力下器件特性的退化机制；最后研究了在机械应力作用下器件特性的变化规律。
　　论文首先对GaN基HEMT器件做了简要介绍，包括GaN材料相对其他半导体材料的优势、GaN基HEMT器件适用于高频大功率应用的原因以及GaN材料外延生长技术和GaN基HEMT器件制造的发展历程。对GaN基HEMT器件目前存在的主要可靠性问题，包括热载流子效应、电流崩塌效应以及逆压电极化效应等进行了分析，并对GaN基HEMT器件可靠性的国际研究现状进行了讨论。
　　论文对 GaN基 HEMT器件的逆压电效应理论进行了深入分析，并建立了 GaN基HEMT器件逆压电效应的物理模型。在对GaN材料的极化特性，包括自发极化、压电极化以及逆压电极化效应理解的基础上，深入分析了 AlGaN材料的逆压电极化效应理论，推导了 AlGaN材料晶格应力以及弹性能密度与电场关系。通过Silvaco-ATLAS器件仿真软件，对GaN基HEMT器件的电场分布进行模拟，确定器件在任意工作模式下势垒层材料中任意一点的电场强度。结合逆压电效应的理论模型，计算出器件势垒层中的弹性能分布，并与势垒层材料所能承受的临界弹性能密度进行对比，从而确定器件可靠性工作的临界电压。
　　制备出了特性优良的GaN基HEMT器件，并通过合理设计实验，对器件的逆压电效应进行了测试。通过对器件施加阶跃应力，同时检测应力过程中栅极应力电流随应力时间的变化，确定器件发生逆压电极化效应的临界电压。实验发现，超过临界电压器件栅极反向泄露电流急剧增大，本文结合GaN基HEMT器件漏电机制分析对该现象进行了解释。通过设计器件正反向测试实验，并对应力前后器件特性对比分析，证明了逆压电效应导致器件势垒层陷阱产生的位置位于源极一侧栅边缘。
　　通过合理设计器件结构，系统的研究了逆压电效应对GaN基HEMT器件特性的影响，并对逆压电效应引起器件特性退化的物理机制进行了深入分析。通过设计对称结构GaN基HEMT器件，并对器件进行逆压电效应测试，证明了栅极边缘的高场峰值对逆压电效应的产生至关重要。通过湿法腐蚀的方法去除器件钝化介质以及金属接触，并通过扫描电子显微镜（SEM）对器件栅下材料形貌进行分析，证明了逆压电效并不一定会引起器件栅下材料的物理损伤。研究了逆压电效应的临界电压与器件偏置条件的关系，并结合不同偏置条件下器件势垒层中的电场分布对该现象进行了解释。采用能带理论以及陷阱产生理论，对逆压电效应引起器件退化的物理机制进行了详细阐述。
　　研究了SiN钝化对器件逆压电效应的影响，并结合器件瞬态特性测试以及表面漏电理论对实验现象进行了深入的讨论。实验发现，去除SiN钝化介质后在阶跃应力测试过程中不会出现逆压电极化效应的临界电压。瞬态测试表明，SiN介质钝化会使得器件势垒层表面的慢态陷阱得到抑制，但同时也会引入大量的快态陷阱。结合器件表面漏电机制以及横向能带分析，我们认为表面慢态陷阱俘获电子并导致器件表面耗尽区的延伸，是导致上述实验现象的根本原因。
　　论文还对器件在正向栅压下的退化规律进行了研究，并建立了应力作用下器件栅下界面氧化层消除理论。实验表明，正向阶跃应力后器件阈值电压正向漂移，栅极漏电显著增大。通过建立变频电容-电导模型对器件栅下界面陷阱进行表征，证明了应力作用后器件栅下氧施主浓度的降低。通过X射线光电谱（XPS）对栅下材料组分进行分析，发现应力作用后势垒层表面的Ga-O峰值显著减弱。我们认为在应力作用下栅极金属Ni会与界面氧发生反应，引起界面氧化层的消耗，从而导致器件特性的退化。
　　发明了可以对芯片施加机械应力的测试装置，并利用该装置研究了GaN基HEMT器件在拉伸应力作用下特性的变化规律。实验发现，在晶格发生拉伸时，器件的输出电流密度和峰值跨导均出现增大趋势。结合 GaN材料的极化模型我们认为，晶格拉伸会导致材料能带倾斜，使得更多的表面施主发生电离，从而引起沟道载流子浓度的增大以及沟道电阻的降低。

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第一章 绪论

1.1 GaN基HEMT器件简介

1.2 GaN基HEMT器件可靠性概述

1.3本论文的研究内容和安排

第二章 GaN基HEMT逆压电极化效应模型

2.1 GaN材料极化特性

2.2逆压电极化效应的理论模型

2.3逆压电极化效应的物理模型

2.4本章小结

第三章 GaN基HEMT器件逆压电效应测试

3.1 GaN基HEMT器件制备

3.2逆压电效应临界电压测试

3.3陷阱位置的确定

3.4本章小结

第四章 逆压电效应引起器件退化的物理机制

4.1逆压电效应对器件特性的影响

4.2逆压电效应对栅下材料形貌的影响

4.3临界电压与偏置条件的关系

4.4物理机制分析

4.5本章小结

第五章 SiN钝化对器件逆压电效应的影响

5.1 SiN钝化对器件退化模式的影响

5.2 SiN钝化对器件瞬态特性的影响

5.3器件退化机理分析

5.4本章小结

第六章 正向栅压应力对器件特性的影响

6.1正向栅压应力下器件的退化

6.2器件栅下陷阱特性分析

6.3器件栅下材料组分分析

6.4本章小结

第七章 GaN基HEMT器件机械应力测试

7.1测试夹具的发明

7.2 GaN基HEMT器件机械应力测试

7.3物理机制分析

7.4本章小结

第八章 总结与展望

8.1本论文总结

8.2未来工作展望

参考文献

致谢

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