氟注入增强型HEMT器件关态电应力可靠性研究

发布时间：2020-05-24 19:52

【摘要】：基于GaN材料的增强型HEMT器件是高速功率开关和高速集成电路重要组成部分。F注入增强型HEMT器件因制作工艺简单和阈值电压可控等优势,成为了实现增强型HEMT器件一种常用方式。同时近年来F等离子体处理与MIS栅结构、凹槽栅结构和纳米线沟道等其他技术结合可实现高性能的增强型HEMT器件。然而F注入增强型HEMT器件长时间电应力下的退化机理仍未明晰,基于此本文针对F注入增强型HEMT器件在关态电应力下的可靠性展开研究。论文设计了不同栅极偏置关态电应力实验。在关态应力下,器件的阈值电压随着应力时间的增加而逐渐负向漂移,并且随着应力的增大而更显著,同时关态应力过程中栅漏电极之间沟道电阻减小。F离子移动理论常用来解释器件退化,其认为F离子在电场的作用下横向移出栅下区域导致器件阈值电压的退化。然而栅下区域的F离子移动到漏电极一侧会引起栅漏电极之间沟道电阻增大,其与实验现象矛盾,因此F离子移动理论不是增强型HEMT器件退化的主要原因。F离子碰撞去离化理论是解释器件退化的另一观点,认为应力过程中高能的电子去离化F离子本身所带的负电荷,使F离子失去强电负性导致器件阈值电压退化。论文设计了不同栅极注入电流实验研究对增强型HEMT器件退化的影响。器件经300?C,1 min热退火处理可减小器件的栅漏电,但未改变器件的阈值电压。实验现象显示,相同关态电应力下,退火处理的增强型器件的应力栅电流较小,但是阈值电压退化量的相同。表明器件的退化量大小主要取决于器件所施加的电场强度,而不是应力栅电流,因此F离子碰撞去离化理论不是增强型HEMT器件退化的主要原因。论文设计了耗尽型和增强型HEMT器件在相同的关态应力对比实验。耗尽型器件应力过程中较大的应力栅电流在AlGaN/GaN界面产生大量的界面态陷阱,导致器件应力过程中饱和漏电流和跨导下降,然而器件的阈值电压基本不变。F注入增强型HEMT器件结构基于耗尽型HEMT器件,两者关态应力过程中退化现象和规律不同,说明HEMT器件本身结构或缺陷不是增强型HEMT器件关态电应力退化的主要原因。前文排除以往文献中F离子移动和F离子碰撞去离化引起器件退化的两种原因,得到结论:关态应力下产生的高电场使栅极下势垒层内的F离子失去负电荷,发生去离化效应,导致栅下的有效F离子数量减少,减小了对栅下沟道电子的耗尽作用,导致阈值电压的负漂,引起器件退化。最后利用正反向偏置实验和热退火实验研究F注入增强型HEMT器件关态高场应力后的器件特性。结果表明,相比于关态应力过程器件的退化总量,较小的正向偏置应力使器件退化量减小了20%,300?C,5 min热退火处理使器件退化量减小了39%,同时退火过程改善了器件的肖特基特性。
【图文】：

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4]。图1.1GaN 几种常见的应用领域材料所带来的优异特性会转化为更优良的器件特性，从图 1.1 可见，GaN 基器件常用于照明、雷达和航天、航空军事、电力传输和通讯等应用领域[7, 10]，在这些应用领域中，GaN 基器件工作环境往往是大电流、高电压、高温、辐照等恶劣环境。1.1.2 GaN 基 HEMT 器件的发展及应用正是由于 GaN 材料的宽禁带、高迁移率和耐高温高压等优异特性，基于 GaN 材料的高电子迁移率晶体管（HEMT）引发了研究和应用的热潮。HEMT 器件作为 GaN基材料中最成熟的结构，其依靠异质结来工作。异质节是在两种或者两种以上的不同的材料之间形成的，例如 AlGaAs/GaAs、InGaAs/InP、AlGaN/GaN 等材料是常见的异质结构

氟离子,存在状态,材料,离子

二章 F 注入增强型 HEMT 器件的基本原理及制备工没有在样品材料中明显观察到碳元素的存在子相比于 CF3＋离子较轻，两者之间的相对地，上电极接电压，形成电容结构，在上电电场，在两个金属电极之间电场的驱动下，下电极上的样品材料。与之相对应的是，在只有少量的 CF3＋离子可以达到样品表面，上电极吸引 CF3＋离子，将 CF3＋离子驱动远中没有碳元素对于器件的性能是非常理想的 HEMT 器件性能[51]。
【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】：TN303

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