氮化鎵HEMT器件柵泄漏電流產生機理研究.pdf

1、GaN作為典型的第三代半導體材料，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、耐高溫及抗輻照等優(yōu)點。尤其是其與AlGaN材料制作的高電子遷移率晶體管（HEMT）具有高的二維電子氣濃度及遷移率，在微波大功率器件及電力電子器件等領域具有廣泛的用途。隨著 HEMT器件的發(fā)展，可靠性問題逐漸成為限制其商業(yè)應用的重要因素，也成為研究的重點。其中，HEMT器件柵泄漏電流是重要的可靠性問題之一。它會增加器件的低頻噪聲和靜態(tài)功耗、誘發(fā)電流崩塌、減小器件效率以及降低HE

2、MT器件的擊穿電壓進而降低輸出功率等。特別是隨著器件特征尺寸的縮小，柵泄漏電流越來越顯著。為了進一步提高 HEMT器件的可靠性，推動其市場化應用，開展HEMT器件柵泄漏電流導電機理方面的研究已經成為當務之急。
　　本文介紹了GaN HEMT器件的工作原理以及其主要制備流程。在此基礎上，介紹了柵泄漏電流相關的幾種主要導電機制，包括 Fowler-Nordheim（FN）隧穿機制和Frenkel-Poole（FP）陷阱輔助發(fā)射模型。針

3、對這兩種模型開展了廣泛的研究與數值模擬，詳細分析了模型中各參數對器件泄漏電流的影響。針對常規(guī)耗盡型 AlGaN/GaN HEMT結構以及絕緣柵型 MIS-HEMT結構開展了變溫實驗。研究結果表明，這兩種結構的柵泄漏電流均符合FP陷阱輔助發(fā)射模型。其電子發(fā)射能級分別為0.33eV和0.47eV。其次，針對HEMT器件柵泄漏電流包含不同組成部分的特點，進一步分析了各自的導電機制。利用雙柵結構分離出了體泄漏電流和表面泄漏電流，并開展了溫度相關

4、的實驗。實驗結果表明，對于采用SiN鈍化的AlGaN/GaN器件，溫度對體泄漏電流的影響不大，而表面泄漏電流隨著溫度升高而顯著變大。進一步研究表明，體泄漏電流可以用 FN隧穿模型很好地解釋，其大小與勢壘層中的垂直電場直接相關。而對于表面泄漏電流，本文通過對比三種主要的泄漏電流導電模型及實驗測試數據，排除了FN隧穿模型及FP模型的作用，發(fā)現其與二維電子跳躍傳播模型（2D-VRH）符合的很好。分析表明，HEMT器件表面泄漏電流是通過柵漏之間

5、勢壘層的表面陷阱跳躍而產生的，其激活能為0.083 eV。對比早期高Al組分勢壘層HEMT器件的研究結果，本文發(fā)現勢壘層材料的變化對表面泄漏電流的導電機制幾乎沒有影響。最后研究了退火對表面泄漏電流和體泄漏電流的影響。實驗表明在200攝氏度范圍內退火溫度的升高和30分鐘內退火時間的延長都能夠有效的降低這兩部分電流的大小。表面泄漏電流的減小可以歸結于用于表面電流傳輸的表面陷阱態(tài)數量的減少，體泄漏電流的減小主要是柵金屬與勢壘層形成更理想的接觸