论文部分内容阅读
氮化镓(GaN)半导体材料由于禁带宽度大、电子迁移率非常高、耐击穿电场高、耐热性能好以及抗辐射能力优异等特点,故其是制作高频、高温和大功率器件的优秀材料。近几年,GaN基高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件目前成为电子电力元件的研究热门并展现出巨大的应用前景。由于GaN基HEMT器件的很多可靠性问题仍未得到解决,限制着GaN基HEMT器件的大规模应用。因此GaN基HEMT器件的可靠性问题成为现阶段研究重点,也是一个迫切需要研究人员解决的一个技术难题。本论主要围绕AlGaN/GaN HEMT器件的氢效应、热电子效应、静电放电和高温应力四个方面的可靠性问题进行研究。采用电学特性、低频噪声特性等表征方法,研究AlGaN/GaN HEMT器件在各种应力条件下的变化规律,分析器件的退化模式与失效原因。主要研究工作内容如下:(1)根据AlGaN/GaN HEMT器件的电学特性和低频噪声特性两个方面,研究氢气对AlGaN/GaN HEMT器件的影响。通过对比氢处理前后器件测试参数,分析总结氢处理对器件的作用规律,解释氢气对器件的作用机理。一方面,氢处理后的器件输出电流增大,阈值电压减小并负向漂移,栅延迟特性响应更快。另一方面,氢处理还可以使器件的电流崩塌减小,平均Hooge因子减小一半,能够有效地抑制电流崩塌,降低器件的噪声。(2)对AlGaN/GaN HEMT器件进行热电子效应研究,通过器件的电学特性和低频噪声特性比较氢处理前后器件在热电子应力下的变化规律,分析热电子应力对器件的作用机理。研究结果表明,氢处理后的器件在热电子应力作用下,输出电流降低,阈值电压变大并正向漂移,器件的噪声变大,而直接进行热电子应力的器件性能没有任何变化。(3)对AlGaN/GaN HEMT器件进行静电放电应力的研究,分别对器件的栅极和漏极施加传输线脉冲(Transmission Line Pulse,TLP)电压。当施加TLP电压低于器件的击穿电压时,电学特性没有变化,运用微光显微镜(Emission Microscope,EMMI)对TLP应力后的器件进行观察,发现光致发光图像没有变化。当施加TLP电压大于器件的击穿电压时,器件失效,栅泄漏电流增大,发现光致发光图像中存在异常斑光,用扫描电子显微镜(Scanning electron Microscope,SEM)对异常斑光进行分析发现。研究结果表明,TLP应力导致器件栅极断裂,引起其性能失效。(4)对AlGaN/GaN HEMT器件进行高温可靠性研究,通过恒温箱模拟电子器件的高温工作环境,探索器件在高温应力下退化的物理机制。实验测试了变温情况下器件的直流特性、双脉冲应力的输出特性以及变温的栅延迟特性,还对器件在不同温度下进行G-R(产生-复合)噪声测试。研究结果表明,在高温应力作用下,随着温度的增高,器件的输出电流特性是减小的,转移曲线略有负向漂移,跨导最大值减小,栅极泄漏电流增加,栅延迟响应更快。通过在不同温度下的G-R噪声测试,提取氢处理前器件陷阱激活能约为0.521 eV,氢处理之后器件陷阱激活能约为0.552 eV。