GaN基HEMT器件热电子效应及其寿命预测研究

发布时间：2020-04-24 01:00

【摘要】：GaN基HEMT器件是新一代微波及毫米波功率器件,在频率、增益和噪声性能等方面展现出了显著的优势,被视为未来5G时代的核心电子器件。但是GaN基HEMT器件在可靠性方面仍存在一些问题亟待解决,尤其是HEMT器件的热电子效应与寿命预测问题已经成为其产业化应用的关键影响因素之一。在此背景下,本文主要对AlGaN/GaN HEMT器件的热电子效应进行仿真研究,明确了不同半导体材料层的陷阱态分别对GaN HEMT器件热电子效应的影响。针对HEMT器件的寿命问题,本文通过温度加速寿命试验对GaN基HEMT器件进行了寿命预测。本文首先利用Sentaurus TCAD软件研究了在相同热电子应力条件下,不同半导体材料层(包括GaN缓冲层、AlGAN势垒层与器件表面处的陷阱态)的陷阱态分别对GaN HEMT器件热电子效应的影响。为相对独立地研究不同陷阱态对HEMT器件热电子效应的影响,本文采用的仿真实验条件为:栅电极悬空,漏源应力电压为V_(DS)(stress)=15V的典型瞬态热电子应力条件。在此基础上,采用控制变量法,分别在GaN HEMT器件初始仿真模型中的GaN缓冲层、AlGaN势垒层及AlGaN势垒层表面单独设置不同浓度与不同能级水平的受主陷阱并进行热电子应力仿真实验。研究表明,相同热电子应力条件下,HEMT器件缓冲层与势垒层中受主陷阱浓度越高、能级越深,器件的特性退化均越发严重,表现为器件I_(D S)(sat)降低、阈值电压V_(T H)正向漂移。但是,对于相同面密度或能级的受主陷阱,热电子效应后陷阱位于缓冲层的HEMT,其I_(DS)(sat)退化量比陷阱设置在势垒层的HEMT器件I_(D S)(sat)退化量大。V_(T H)正漂量则是陷阱设置在AlGaN层的HEMT器件比陷阱设置在GaN层的V_(T H)正漂量大。同时发现表面态陷阱在热电子应力前后对HEMT器件的I_(D S)(sat)与V_(T H)几乎无影响。此外,本文制定了恒温加速寿命试验方案,利用Weibull分布概率图法计算得到HEMT器件在温度应力下的加速系数,并确定相应寿命加速方程,然后对指定温度应力水平的器件平均寿命(MTTF)进行了预测。综上所述,本文研究发现,相同应力作用下缓冲层陷阱与势垒层陷阱均会加剧GaN基HEMT器件的热电子退化效应,前者对HEMT的I_(D S)(sat)退化影响最大,后者对V_(T H)正漂影响最显著,而表面态陷阱对HEMT的热电子效应影响较弱。此外,通过加速寿命试验,本文预测了GaN基HEMT器件在温度应力为150oC下的MTTF参考指标。
【图文】：

西安电子科技大学硕士学位论文TCAD 提供了一个界面交互友好的可视化集成用户可以根据自己的研究需求并通过 SWB 的 G组织以及运行模拟等。如图 3.1 所示为 Sentaurus包，，其核心模块工具包括：Sentaurus Process（ditor（SDE，器件结构编辑器）、Sentaurus Dev器件仿真结果分析的可视化工具Tecplot-SV与In

对器件施加一定时长的热电子应力，通过比对热电子应力前后件 GaN 缓冲层陷阱、AlGaN 势垒层陷阱以及表面态陷阱（A的密度与能级位置在热电子应力过程中分别对器件电学特性的GaN HEMT 仿真模型的器件结构与网格划分仿真是器件结构参数是将本课题组实验测试中所采用的对作为参考进行设置的。如图 3.3 所示，是 Sentaurus TCAD 中aN HEMT 仿真器件结构图。该 HEMT 器件的纵向结构参数自 0.1 m的 AlN 成核层（Nucleation layer）、厚度为 1.5 m 的0 nm 的 AlGaN 势垒层以及栅源栅漏之间厚度为 60 nm 的 Si3料的 Al摩尔组分为 0.3；器件的横向结构参数则包括：长度姆金属电极、栅极长度 LG为 0.6 m、栅源间距 LGS为 1.4 m。此外，由于在仿真过程中衬底结构对于器件特性没有影响结构中没有定义衬底材料，这样能够在不影响器件仿真准确性真时间，提高器件的仿真效率。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2638346