GaN基HEMT的kink现象和动态电阻特性研究

发布时间：2020-11-03 04:08

　　 由于氮化镓(GaN)具有宽禁带宽度、大击穿电场、高电子迁移率、强抗辐照能力等优异的材料性能,非常适合制备在极端条件下工作的高频、高压、高功率电力电子器件,如AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT),在新能源汽车、5G通讯、激光雷达等行业具有重要的应用前景。然而,GaN基HEMT器件却面临严重的电学可靠性问题,如:高温退化效应、栅漏延迟效应、kink效应、动态电阻增大效应等,不利于其大规模商业化应用。在此背景下,深入分析相关的几个关键可靠性问题,揭示问题背后具体的物理机制,具有非常重要的社会应用价值。本文首先回顾了GaN基HEMT的研究现状,指出了存在的电学可靠性问题,然后介绍了GaN材料的基本性质,详细描述了器件的结构与工作原理,最后总结了表征器件性能的重要参数。本论文的主要研究内容如下:1、AlGaN/GaN HEMT的变温电学特性研究。研究表明,随温度的升高,器件退化的主导因素并非二维电子气随温度减少,而是方块电阻随温度的增加。而方块电阻由器件的2DEG浓度与迁移率决定,因此对器件的2DEG的迁移率进行实验提取与理论计算,通过数据拟合发现极性光学声子散射限制的迁移率随温度升高而呈指数下降,是高温下方块电阻增大与器件退化的主要原因。2、AlGaN/GaN HEMT的kink效应研究。通过漏极应力偏置实验,观察到在不同漏极偏置下,两次扫描kink程度表现出显著差异;通过栅极应力偏置实验,观察到开态下,kink程度缓解,半开态下,kink程度增加,闭态下,kink程度不变现象。反向栅极电流导致的kink效应并不显著。结合半导体物理理论提出物理模型:kink效应由GaN缓冲层内类施主型深能级缺陷态对电子的捕获和热电子辅助被捕获电子去捕获行为所导致。3、晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMT动态电阻特性研究。搭建了硬转换模型与软转换模型测试系统,研究了晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMT器件在不同转换模型下的动态电阻特性。结果表明,在硬转换模型下动态电阻的增大源于表面态捕获电子导致的虚栅效应,在关态下随漏极偏置应力的增加,动态电阻表现出先降低再略有升高的行为,是源于缓冲层中电子的去捕获与捕获效应;在软转换模型下,验证了势垒层中缺陷态为类施主型,且稳定时间有助于动态电阻恢复。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN303
【部分图文】：

江南大学硕士学位论文图 1-1(a)、(b)为 GaN 材料的两种典型晶体结构：六方纤锌矿结构与立方闪锌矿结7]。其中六方纤锌矿结构由 Ga 原子与 N 原子各自组成六方排列的原子层按照(001)面的 ABABAB 方式堆积而成，具有强离子性，能在室温与大气压环境下稳定存在，力学稳定结构；而闪锌矿结构为立方密堆积结构，它由 Ga 原子与 N 原子组成面心晶格，通过平移空间对角线长度的四方之一距离彼此套构而成。每个原子连着其他不同的原子，因此，每个晶胞由四个 Ga 原子与四个 N 原子构成，为热力学亚稳态。其在室温与大气压环境下不能稳定存在，但可以在(001)晶面上生长的薄膜上存在此，一般 GaN 材料的晶格结构指的是纤锌矿晶体结构，其面内和轴向的晶格常数为 a=0.3189 nm，c=0.5185 nm[8]。

(a) (b)图 1-1 GaN 材料的晶格结构：(a)纤锌矿和(b)闪锌矿体的结构决定了晶体的材料性质，GaN 材料的纤锌矿晶体结构决定了 Ga半导体，其能带结构示意图如图 1-2 所示[9]。价带中的电子跃迁到导带中到价带)，产生电子-空穴对(复合)，无需声子提供动量，只吸收(释放)能量

图 1-3 GaN 基 HEMT 缺陷态位置示意图外部测试环境导致的逆压电效应、热电子效面临重大挑战。因此，在实际测试与应用中如下：GaN 材料具有高击穿电场，理论上可达到远小于理论值，说明存在诸多非理想物理。为了提高器件的击穿性能，需要详细研究对于 GaN 基 HEMT 的过早击穿行为进行解边缘碰撞电离机制和表面跳跃电流机制等[4释，GaN 基 HEMT 器件的击穿电压可通过高。
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本文编号：2868070