P型柵極高電子遷移率晶體管可靠性研究.pdf

1、氮化鎵基高電子遷移率晶體管（HEMT）是實現(xiàn)高效節(jié)能與小型化、輕量化電力電子變換器的下一代功率器件。一方面這是由氮化鎵材料本身的優(yōu)異特性所決定的，如寬禁帶寬度(3.4 eV)，高臨界擊穿電場(3500 kV/cm)。另一方面，鋁氮化鎵與氮化鎵異質結的自發(fā)極化和壓電極化效應可以在異質結界面處形成高電子濃度(＞1013 cm-2)，高電子遷移率(1200 cm2/V·s)與高電子飽和漂移速度(3.0×107cm/s)的二維電子氣導電溝道。然

2、而，鋁氮化鎵/氮化鎵異質結結構的HEMT通常是常通型器件，其閾值電壓范圍在-6 V到-2 V。為了使HEMT能具有電路故障保護功能并與傳統(tǒng)硅基功率器件柵極驅動IC兼容，需要實現(xiàn)增強型HEMT。全球科研工作者已提出多種實現(xiàn)增強型HEMT的技術手段，包括采用幾個納米厚的AlGaN勢壘層，級聯(lián)拓撲結構，氟化物等離子體處理，肖特基柵極的柵極凹槽結構，金屬絕緣體氧化物柵極凹槽結構(MIS)與P型柵極結構。在這些方法中，MIS-HEMT是實現(xiàn)可同時

3、具備高閾值電壓與高柵極電壓擺幅HEMT的可行方案。然而MIS-HEMT柵極氮化物/電介質界面態(tài)的存在也帶來了相應的可靠性問題，例如器件閾值電壓的偏移。而P型柵極HEMT不僅可以實現(xiàn)高閾值電壓與高柵極電壓擺幅，同時還可以利用柵極空穴注入的電導調制效應進一步降低器件溝道導通電阻，這使其成為工業(yè)界與學術界研究者的關注熱點。近十年，P型柵極器件在高漏壓開關條件下出現(xiàn)的電流崩塌或動態(tài)導通電阻變化已經(jīng)得到了全世界研究者的深入研究，然而由P型HEMT

4、柵極電流注入所導致的器件可靠性問題仍有待進一步研究。
　　本文對商用P型柵極HEMT在不同大小柵極電壓應力與不同器件溫度下無自發(fā)熱的導通電阻大小變化進行了觀測分析。器件在額定柵極電壓應力下導通電阻變化，閾值電壓的偏移以及耐壓能力的退化都指向了由于HEMT柵極區(qū)域電荷俘獲所引發(fā)的可靠性問題。本文提出并詳述了HEMT由于柵極區(qū)域空穴電子分別被施主陷阱與受主陷阱俘獲而導致器件溝道電導不穩(wěn)定的潛在機理，并通過器件仿真從能帶變化對此做了進一