大功率氮化镓高电子迁移率晶体管可靠性研究

发布时间：2020-11-05 19:18

　　 GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为第三代半导体的典型器件,在微波大功率方面表现出了优异的性能。已经初步在第四代移动通讯和雷达技术中发挥了重要作用,国内外对此非常重视,但是ALGaN/GaN HEMT在高压大功率条件下,电场和热量的集聚,有可能造成烧毁等极端的情况出现。AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性与器件的设计原理和工作机制深刻相关,是器件在工程应用中需要解决的关键核心问题。在应用场景中,除了常规的电流崩塌、热电子和逆压电效应等导致的性能退化外,还需要考虑工艺过程中的缺陷,器件装配等引入的可靠性问题。目前的器件功率密度和工作电压距离理论极限还有较大的差距,只有进一步的解决AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性问题,提升器件的关键参数才能充分发挥其在高压大功率方面的优势。以大功率氮化镓高电子迁移率晶体管可靠性为研究对象,从器件的工作原理出发,结合对电应力和热应力的仿真分析,挖掘出了影响可靠性的因素,有针对性的优化了参数。对失效器件的缺陷采用电致发光(EL)、高温测试、聚焦离子束(FIB)等技术手段进行解剖分析。通过器件理论指导对测试结果进行分析,深入探究器件可靠性问题的机理。最终成功设计并制备了AlGaN/GaN HEMT器件,击穿电压大于175 V、工作电压为80 V,在L波段输出功率为750 W、效率为80%。论文的主要研究内容如下:(1)在器件击穿电压和热仿真方面,结合碰撞电离模型和电场分布模拟,对影响器件击穿电压的因素进行了分析,对场板结构在不同电压下的作用进行了仿真。场板尺寸的优化可以平滑电场,通过仿真优化设计,获得了最优的场板结构。利用热仿真技术,对影响AlGaN/GaN HEMT器件热特性的衬底材料、源漏金属宽度、单指栅宽等参数进行了仿真分析,并发现不同脉冲条件对热分布有较大的影响,为解决热可靠性问题提供了理论指导。(2)在芯片工艺可靠性提升方面开展工作。提出采用难熔金属Ta/Mo作为阻挡层制备高质量的源漏金属。在栅制作工艺中采用双层氮化硅介质刻蚀技术,制备出双凹槽的结构,再通过金属蒸发,制备了可靠稳定的肖特基栅。在表面钝化工艺中,采用了SiN/有机涂层/SiN的复合钝化的改进方案,提高器件的抗湿气侵蚀能力。(3)采用在高温条件下的测试手段,研究了高温300℃条件下,器件的栅开启电压、源漏泄漏电流等特性。研究发现,随着温度的升高(25℃到300℃)栅对沟道的控制能力开始下降,主要体现在栅开启电压降低,跨导降低及饱和电流的降低,高电压下源漏沟道漏电的增大,这些现象都会有损于器件的微波放大能力。对上述现象进行了理论分析,并提出了存在的可靠性风险。对包括管壳封装在内的热分布进行了分析,采用红外热像仪对不同单指栅宽的器件进行测试,发现单指栅宽和温度的对应关系,通过对模型进行精确修正后,仿真和测试结果可以较好的吻合。(4)针对器件失效机制开展了加电老化、高温烘焙和极限电流电压试验。在加电老化导致器件失效分析方面,通过电致发光(EL)手段对失效的器件进行分析定位。通过离子束切割(FIB)技术对失效点进行剖面切割,并结合扫描电子显微镜(SEM)对栅结构剖面进行分析。发现了失效器件不同栅条的位置存在栅边缘断裂和栅下缺陷两种失效模式,有效的解释了在器件加电老化过程中出现直流退化的原因。在高温烘焙失效分析方面,利用SEM和能谱确认了工艺过程中通孔金属粘附性差是造成高温烘焙造成失效的原因。在极限电压电流失效分析方面,通过电压和电流极限试验得到了器件两种不同的烧毁模式。(5)在高压大功率器件设计制作方面,通过器件和工艺优化,借鉴电热仿真的结果和可靠性分析结果,设计并成功制作了50 mm栅宽的微波功率器件,器件在80 V漏极电压下、输入功率为42 dBm时,输出功率达到58.8 dBm,即750 W,功率密度15 W/mm、效率为80%、增益为16.8 dB。对该器件进行了20分钟射频老化试验,器件的饱和功率和泄露电流保持不变。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

图 1.1 一代、二代、三代半导体的频率和功率特性[16]代和第五代移动通信的应用中，硅基 LDMOS 器件已经不能满用。GaN 器件的工作频率很容易达到几十 GHz，并且具有的率密度、高输出阻抗等特性，其非常适合用作高频、宽带功率放底又可以大幅提高其散热特性，从而实现射频功放追求的高积的目标。基于 SiC 衬底的氮化镓将会替代硅基的 LDMOS射频功放的主流技术。目前 GaN 技术在移动通信基站射频功界都还处于起步阶段，国内外的研究也处于同步发展阶段，大的长期可靠性问题备受关注。/GaN HEMT 的发展状况 M.A.Khan 等人制备了第一只氮化镓高电子迁移率晶体管( G

图 1.2 GaN 微波功率器件国外技术发展趋势 GaN 技术的日趋成熟，国外开始将 GaN 功率器件向太空应禁带半导体材料为基础的 GaN 器件的固有优势，制成重量更太空应用的电子设备[71-75]。日本住友电工美国 SEDU 公司在 议（IMS）上展示了一款空间应用的新一代 GaN 微波功率器，在 1.575 GHz 下输出功率 150 W，功率附加效率 71.2%，于 18dB，采用单端封装。2014 年 12 月美国 Raytheon 公司报片微波集成电路（MMIC）在单粒子烧毁（SEB）和电离总剂有了太空应用的抗辐射性能，抗电离总剂量辐射能力达到 1 M设备中，采用了 GaN 技术的卫星将进入地球轨道运行。201最大的 SiC 和 GaN 功率和射频器件生产厂的美国 Wolfspeed频功率晶体管已完成可靠性测试（试验包括累积辐射剂量超过测试，符合等同美国军用标准 S 级和 K 级要求的美国宇航局

东南大学博士毕业论文置、俘获面积和相关俘获动力学过程等具体参数和过程，而这化可靠性模型的前提条件。对于该器件高压、高功率条件下的可靠性物理机制还清晰，缺乏直接的试验依据。目前在 GaN材料结构生长、工艺制备方面的研究过程中，研究人员依然更输出功率指标，而在材料、器件结构工艺对器件可靠性影响方深入的工作要做。
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本文编号：2872067