基于Kink效应的AlGaN/GaN HEMT器件可靠性研究

摘要

GaN材料作为新型第三代半导体材料，具有击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移速度高等优良特点，在高温、高频、大功率应用方面具有非常广阔的前景，也已经取得了相当大的进展。本文主要针对GaN基HEMT器件的Kink效应相关的可靠性问题展开讨论。
　　 本文根据GaN基HEMT器件的主要可靠性理论，及对GaAs器件中Kink效应物理模型的理解，对GaN器件中Kink效应发生的机理及相关影响因素进行了分析。定义Kink效应并探讨了GaN HEMT器件上Kink效应在基本特性中的表现。根据直流半经验模型，建立了GaN HEMT器件上Kink效应的直流半经验模型。根据模型仿真与实验的分析，对Kink效应的物理机理进行了初步探讨，认为碰撞电离不能完全解释Kink效应的产生，电场的辅助作用受到了陷阱效应和自热效应的影响。对Kink效应进行了电学应力分析、脉冲分析以及Kink效应的退陷情况，并对工艺对Kink效应的影响进行了初步讨论。电学应力分析表明，栅漏偏压Vdg对陷阱的释放有辅助作用，且在电场的辅助作用下，热电子对于深能级陷阱中的电荷可能有调制作用。首次在脉冲测试中发现了Kink效应，变脉宽、变周期及恒定占空比的脉冲测试结果表明，电子捕获时常数约为7.57us，而电子释放的时常数约为0.18ms。电子被捕获的速度远大于电子被释放的速度，约为三个数量级。漏泵浦分析表明，在该过程中，电子释放时常数约为0.169ms，与脉冲测试的结果基本相符。即当脉冲间隔大于此数量级时，陷阱中的电子完全释放而得不到积累。根据变温实验结合漏泵浦测试，得出陷阱的热激活能约为898.74meV。器件制备工艺与Kink效应的关系进行了初步研究表明，工艺改善主要应集中在材料质量的提高和刻蚀工艺的改进，其中材料本身的缺陷和陷阱是产生Kink效应的主要原因。