HRCL-HEMT器件栅极漏电和栅极正向击穿研究
发布时间：2020-03-29 18:29
【摘要】：增强型p-GaN栅高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其优异的器件性能和可靠性成为了第一代商用的GaN功率开关器件,可广泛应用于消费电子、电动汽车等领域。采用H等离子体处理制备的高阻盖帽层HEMT(HRCL-HEMT)器件是一种p-GaN栅HEMT器件,击穿电压高,电流崩塌小。目前,p-GaN栅HEMT器件的栅极可靠性成为了学术界和产业界关注的焦点。因此,本论文围绕HRCL-HEMT器件展开,研究其栅极漏电、正向击穿特性,主要的内容如下:1.HRCL-HEMT器件栅极漏电研究。通过变温电流-电压(IG-VG)测试研究了Pd/Au和Ti/Au栅金属器件的栅极漏电,研究发现:当栅极承受反向偏压或正向低偏压时,器件的栅极漏电均由表面漏电主导,其机理为二维变程跳跃(2D-VRH);当栅极承受正向高偏压时,栅极金属对栅极漏电有显著影响,Pd/Au和Ti/Au栅金属器件主导的漏电机理分别是热场发射(TFE)和Poole-Frenkel发射(PFE)。2.HRCL-HEMT器件栅极正向击穿研究。通过栅极正向变温击穿、台阶应力和随时间失效(TTF)测试研究Pd/Au、Ti/Au和Ni/Au栅金属器件的栅极正向击穿特性,研究发现:Pd/Au和Ti/Au栅金属器件在栅极台阶应力下分别表现出“电流驱动型”和“电场驱动型”退化,Ni/Au栅金属器件在栅极变温击穿测试中,击穿电压随温度升高而增大,表现出雪崩击穿特性。此外,在TTF测试中,Ni/Au和Ti/Au栅金属器件栅极寿命均服从威布尔(Weibull)分布,且与初始栅极漏电负相关。3.AlBN介质初步研究。上述研究发现栅极漏电影响HRCL-HEMT器件的性能,因此需要寻找合适的介质材料来改善栅极漏电。AlN可以与GaN形成高质量的界面,但是其绝缘性不好,在AlN中掺入B可以提高其绝缘性。通过脉冲激光沉积(PLD)成功得到AlBN材料,并将AlBN作为介质层制备了MIS-HEMT器件,通过IG-VG和电容-电压(C-V)测试发现:AlBN MIS-HEMT器件的性能与常规HEMT器件基本相同,AlBN介质有待进一步研究。
【图文】：
ＢＦＯＭ值大（低频和高频的分别为１４５０倍和１８０倍）［２４］。因此，基于ＧａＮ材逡逑料的电力电子器件可以满足高频率、大功率和高效率等要求，是未来发展的重逡逑要方向。图１．邋１给出了基于ＧａＮ材料的电力电子器件可以应用的领域［５＿７］。逡逑表１．１不同半导体材料的物理参数１２１逡逑逦物理参数逦Ｓｉ逦ＧａＡｓ邋４Ｈ－ＳｉＣ邋ＧａＮ逡逑禁带宽度＆邋（ｅＶ）逦１．１２逦１．４２逦３．２５逦３．４５逡逑击穿场强恿（ＭＶ．ｃｍ—１）逦０．３逦０．４逦３．０逦３．３逡逑电子饱和速度邋Ｇ邋（ｃｍｓ－１）逦ｌｘｌ0７逦２ｘｌ0７逦２ｘｌ０７逦２．７ｘｌ0７逡逑电子迁移率／／ｅ邋（ｃｍ２．Ｖ＿ｌ．ｓ＿１）逦１４００逦８５００逦１０２０逦１０００逡逑Ｂａｌｉｇａ邋优值（高频）１逦１１逦７３逦１８０逡逑逦Ｂａｌｉｇａ邋优值（低频）￡／／ｅ￡ｃ３逦１逦１６逦６００逦１４５０逡逑注：Ｂａｌｉｇａ优值以Ｓｉ材料为单位“１”标准，可以衡量半导体材料在高频、大功率方面的应用潜力逡逑１００邋ｋＷ＾逦丨ｔｉ邋动}r逡逑．１0邋ｋＷ邋灥掌＞逦＾逡逑Ｓ逦ｆ逦Ｉ：业驱动逡逑ｗ邋１邋ｋＷ逡逑０电视逡逑１００邋Ｗ逦尤线充电瞻电职悐游戏机逡逑１０Ｗ逦＾电压逡逑３０邋Ｖ邋１00Ｖ邋３００邋Ｖ邋６００邋Ｖ邋１２００邋Ｖ逡逑图１．１基于ＧａＮ材料的电力电子器件的应用领域逡逑除了邋ＧａＮ材料本身的优异特性，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结因为压电极化和自发逡逑１逡逑
常规ＨＥＭＴ器件都是耗尽型器件。在实际电路应用中，耗尽型器件需要引入负逡逑压源使器件关断，存在安全隐患，同时增加电路的复杂性和成本。因此在实际逡逑应用中更倾向于使用增强型器件。实现增强型ＨＥＭＴ的主要方案如图１．２所示，逡逑分别为（ａ）邋ｃａｓｃｏｄｅ结构，将耗尽型的常规ＨＥＭＴ器件和增强型Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ逡逑器件连接［１１］；邋（ｂ）Ｆ离子处理，用Ｆ离子对栅极下方的ＡｌＧａＮ势垒层进行处理，逡逑从而耗尽２ＤＥＧ［１２］；邋（ｃ）凹槽栅结构，刻蚀去除栅极下方部分或者全部的ＡｌＧａＮ逡逑势垒层，，减弱极化效应［１３］；邋（ｄ）ｐ型栅结构，在栅极金属和ＡｌＧａＮ势垒层之间逡逑插入ｐ－ＧａＮ，通过ｐ－ＧａＮ耗尽栅极Ｆ方的２ＤＥＧ［１４］。逡逑？逦Ｆ离子处理逡逑」「Ｔ邋耗尽甩逦Ｓ逦Ｄ逡逑￣｜逦ＧａＮ邋ＨＥＭＴ逦■…逦ＡｌＧａＮ逡逑＾逦Ｉ＂逦Ｇ￣ａＮ逦ＩｐｉＧ＂逡逑＾逦增强型逡逑—Ｉ邋Ｌ／ｑ＾邋Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ逦逦逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ａ）逦Ｃａｓｏｄｅ结构逦（ｂ）逦Ｆ离子处理逡逑／ｕ丨梢栅逦Ｇ逦ｙＰ－ＧａＮ逡逑Ｓ邋Ｇ逦Ｄ邋ｓ逦Ｄ逡逑－邋ＡｌＧａＮ逦４邋＾＾■■■ＡＩＧａＮ逡逑Ｇ￣ａＮ逦１ｄ￣ｅＳ逦Ｇ￣ａＮ逦ＩｐｉＧ＂逡逑Ｂｕｆｆｅｒ逦Ｂｕｆｆｅｒ逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逦Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ｃ）凹槽栅结构逦（ｄ）逦ｐ型栅结构逡逑图１．邋２实现增强型ＨＥＭＴ的主要方案１ｕ＿ｌ４１逡逑Ｃａｓｃｏｄｅ结构包括一个Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件，Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件工作频率和温度逡逑相对于ＧａＮ材料低
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
本文编号：2606349
【图文】：
ＢＦＯＭ值大（低频和高频的分别为１４５０倍和１８０倍）［２４］。因此，基于ＧａＮ材逡逑料的电力电子器件可以满足高频率、大功率和高效率等要求，是未来发展的重逡逑要方向。图１．邋１给出了基于ＧａＮ材料的电力电子器件可以应用的领域［５＿７］。逡逑表１．１不同半导体材料的物理参数１２１逡逑逦物理参数逦Ｓｉ逦ＧａＡｓ邋４Ｈ－ＳｉＣ邋ＧａＮ逡逑禁带宽度＆邋（ｅＶ）逦１．１２逦１．４２逦３．２５逦３．４５逡逑击穿场强恿（ＭＶ．ｃｍ—１）逦０．３逦０．４逦３．０逦３．３逡逑电子饱和速度邋Ｇ邋（ｃｍｓ－１）逦ｌｘｌ0７逦２ｘｌ0７逦２ｘｌ０７逦２．７ｘｌ0７逡逑电子迁移率／／ｅ邋（ｃｍ２．Ｖ＿ｌ．ｓ＿１）逦１４００逦８５００逦１０２０逦１０００逡逑Ｂａｌｉｇａ邋优值（高频）１逦１１逦７３逦１８０逡逑逦Ｂａｌｉｇａ邋优值（低频）￡／／ｅ￡ｃ３逦１逦１６逦６００逦１４５０逡逑注：Ｂａｌｉｇａ优值以Ｓｉ材料为单位“１”标准，可以衡量半导体材料在高频、大功率方面的应用潜力逡逑１００邋ｋＷ＾逦丨ｔｉ邋动}r逡逑．１0邋ｋＷ邋灥掌＞逦＾逡逑Ｓ逦ｆ逦Ｉ：业驱动逡逑ｗ邋１邋ｋＷ逡逑０电视逡逑１００邋Ｗ逦尤线充电瞻电职悐游戏机逡逑１０Ｗ逦＾电压逡逑３０邋Ｖ邋１00Ｖ邋３００邋Ｖ邋６００邋Ｖ邋１２００邋Ｖ逡逑图１．１基于ＧａＮ材料的电力电子器件的应用领域逡逑除了邋ＧａＮ材料本身的优异特性，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结因为压电极化和自发逡逑１逡逑
常规ＨＥＭＴ器件都是耗尽型器件。在实际电路应用中，耗尽型器件需要引入负逡逑压源使器件关断，存在安全隐患，同时增加电路的复杂性和成本。因此在实际逡逑应用中更倾向于使用增强型器件。实现增强型ＨＥＭＴ的主要方案如图１．２所示，逡逑分别为（ａ）邋ｃａｓｃｏｄｅ结构，将耗尽型的常规ＨＥＭＴ器件和增强型Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ逡逑器件连接［１１］；邋（ｂ）Ｆ离子处理，用Ｆ离子对栅极下方的ＡｌＧａＮ势垒层进行处理，逡逑从而耗尽２ＤＥＧ［１２］；邋（ｃ）凹槽栅结构，刻蚀去除栅极下方部分或者全部的ＡｌＧａＮ逡逑势垒层，，减弱极化效应［１３］；邋（ｄ）ｐ型栅结构，在栅极金属和ＡｌＧａＮ势垒层之间逡逑插入ｐ－ＧａＮ，通过ｐ－ＧａＮ耗尽栅极Ｆ方的２ＤＥＧ［１４］。逡逑？逦Ｆ离子处理逡逑」「Ｔ邋耗尽甩逦Ｓ逦Ｄ逡逑￣｜逦ＧａＮ邋ＨＥＭＴ逦■…逦ＡｌＧａＮ逡逑＾逦Ｉ＂逦Ｇ￣ａＮ逦ＩｐｉＧ＂逡逑＾逦增强型逡逑—Ｉ邋Ｌ／ｑ＾邋Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ逦逦逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ａ）逦Ｃａｓｏｄｅ结构逦（ｂ）逦Ｆ离子处理逡逑／ｕ丨梢栅逦Ｇ逦ｙＰ－ＧａＮ逡逑Ｓ邋Ｇ逦Ｄ邋ｓ逦Ｄ逡逑－邋ＡｌＧａＮ逦４邋＾＾■■■ＡＩＧａＮ逡逑Ｇ￣ａＮ逦１ｄ￣ｅＳ逦Ｇ￣ａＮ逦ＩｐｉＧ＂逡逑Ｂｕｆｆｅｒ逦Ｂｕｆｆｅｒ逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逦Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ｃ）凹槽栅结构逦（ｄ）逦ｐ型栅结构逡逑图１．邋２实现增强型ＨＥＭＴ的主要方案１ｕ＿ｌ４１逡逑Ｃａｓｃｏｄｅ结构包括一个Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件，Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件工作频率和温度逡逑相对于ＧａＮ材料低
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386
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