InAlN/GaN HEMT的直流特性及电流崩塌效应研究

摘要

以GaN为代表的第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场强、电子饱和速度大、化学稳定性好、热稳定性好以及抗辐射等优良特性，非常适合制造高温大功率及高频电子器件。虽然AlGaN/GaN HEMT的研究取得了很大进展，但仍然受到电流崩塌等可靠性问题的困扰，进而制约了器件在高频、大功率方面性能的进一步提升。
　　近年来，InAlN作为一种新兴材料引起广泛关注，其与AlGaN材料最大区别是当In组分约为17％时，InAlN势垒层与GaN基板之间的晶格匹配，因而消除了AlGaN/GaN HEMT中存在的应力问题。然而高质量InAlN外延层的生长非常困难，这成为阻碍其发展和应用的主要因素之一。目前关于InAlN/GaN HEMT的性能及可靠性的研究相对较少，国内仍处于起步阶段。本文对InAlN/GaN HEMT的直流特性进行了理论和实验研究，论文重点研究对器件可靠性有很大影响的电流崩塌现象。
　　首先，论文对InAlN/GaN HEMT在开态应力和关态应力两种情况下的电流崩塌现象进行测试。实验结果表明，在两种应力条件后，器件的饱和电流都出现了明显的退化，而且仿真结果证明这些退化要经过很长时间才能完全恢复；偏置电压越大、偏置时间越长，器件的电流崩塌程度越大。理论分析表明，关态应力下器件电流崩塌的原因是高电场引入的栅极泄漏电流对栅源间靠近栅极附近的表面态充电，形成一个不受栅压控制的虚栅，影响沟道2DEG面密度造成的，而开态应力下对表面陷阱充电的电子主要来源于溢出导电沟道的热电子。
　　其次，对器件进行了栅极脉冲条件下的电流崩塌测试。测试结果表明，脉冲宽度对器件的电流崩塌量有重要影响。在周期一定的情况下，脉冲宽度越小，电流崩塌越明显。分析结果表明，器件的表面态和势垒层陷阱充放电速度跟不上输入信号变化速度是器件在脉冲和RF信号条件下出现电流崩塌的主要原因。
　　最后，使用器件仿真软件Silvaco Atlas软件对InAlN/GaN HEMT的直流特性进行模拟分析。模型考虑了自热效应、势垒层厚度、In组分、栅极长度等因素对器件性能的影响。对器件进行陷阱掺杂，模拟表面态对器件电流崩塌及其恢复过程的影响。仿真结果验证了实验得出的结论。

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第一章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2 GaN基HEMT研究进展和面临的问题

1.3论文研究内容

第二章 GaN HEMT器件基础

2.1自发极化和压电极化

2.2器件结构和工作原理

2.3 InAlN/GaN HEMT的特点

2.4 GaN异质结生长和器件制备

第三章 InAlN/GaN HEMT电流崩塌测试及分析

3.1电流崩塌的理论模型

3.2测试结果及分析

3.3栅脉冲条件下的电流崩塌实验

3.4改善电流崩塌现象的措施

第四章 器件仿真

4.1仿真工具简介

4.2仿真模型

4.3器件直流特性仿真

4.4电流崩塌效应仿真

第五章 总结和展望

参考文献

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