【氮化镓】p-GaN栅极退化的温度和结构相关性

论文总结：

• 本文献深入研究了带有p-GaN栅极的正常关断型(normally-off)高电子迁移率晶体管(GaN-HEMTs)在恒定电压应力下的时序退化行为。通过直流特性分析和温度依赖性分析，研究了故障时间(TTF)与应力温度和器件几何结构的依赖性。结果显示，p-GaN栅极晶体管在7.2V的栅偏压下可达到20年的使用寿命，表明了良好的稳定性。故障时间与应力电压呈指数关系，且退化主要发生在栅极边缘而非中心。此外，TTF与温度有关，具有0.48-0.50 eV的激活能。

研究背景：

• GaN基晶体管因其在功率电子领域的应用潜力而受到关注。为了实现可靠的正常关断型设备，研究者提出了多种策略，其中基于p型栅极堆叠的方法在市场上得到了广泛应用。因此，研究这些器件的稳定性和可靠性至关重要。

研究目的：

• 本研究旨在探究p-GaN栅极GaN-HEMTs在恒定电压应力下的退化动力学，以及故障时间与应力温度和器件几何形状的关系。

研究方法：

• 实验在200mm硅衬底上生长的GaN基高电子迁移率晶体管(HEMTs)上进行。通过改变栅宽(WG)和栅长(LG)来调整器件面积，以研究不同器件几何形状对TTF的影响。在30°C至180°C的温度范围内进行应力测试，以评估TTF是否受热激活。

实验细节：

• 实验样品：

  • 实验在基于200mm硅衬底生长的GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)上进行。
  • 样品的外延结构包括200nm的AlN层、500nm的Al0.75Ga0.25N、500nm的Al0.44Ga0.66N、2000nm的C掺杂Al0.08Ga0.92N背栅、300nm的GaN和15nm的Al0.25Ga0.75N。
  • 在栅极下，生长了70nm的p-GaN层以实现正常关断操作，其阈值电压为1.7V。

• 应力测试：

  • 器件在不同电压水平下进行了恒定电压应力测试。
  • 测试期间，持续监测器件的电参数。
  • 为了描述TTF与器件几何形状的依赖性，研究者们对具有不同栅面积的样品进行了应力测试。
  • 通过改变栅宽(WG)和栅长(LG)来调整器件面积。
  • 在30°C至180°C的温度范围内进行测试，以评估TTF是否受热激活。

• 测试设备和条件：

  • 实验中使用了标准的直流(DC)特性分析和温度依赖性分析。
  • 应力测试期间，栅极电压(VG)、漏极和源极电压(VD和VS)均被设定为0V，以模拟恒定电压应力条件。
  • 测试过程中，记录了栅漏电流随时间的变化，以评估器件的稳定性和预测其寿命。

• 数据分析：

  • 实验数据通过Weibull分布和Arrhenius方程进行分析，以评估TTF的统计分布和温度依赖性。
  • 通过这些分析方法，研究者们能够确定TTF与应力电压、器件几何形状和温度的关系。

研究结果与机理解释：

温度相关性分析：

• 实验观察：通过在30°C至180°C的温度范围内对器件进行应力测试，研究者们观察到TTF（Time to Failure，故障时间）随着温度的升高而减少。这一现象表明，高温加速了器件的退化过程。
• 热激活过程：Arrhenius图显示TTF与温度的关系符合热激活过程，即高温增加了原子和分子的热运动，从而促进了导致器件退化的物理过程。通过Arrhenius方程拟合，研究者们得到了一个激活能在0.48 - 0.50 eV之间的值，这为理解器件在不同温度下的退化机制提供了定量信息。
• 机制解释：高温可能导致更多的热激发事件，如电荷载流子的注入和陷阱的形成，这些事件可能在p-GaN/AlGaN界面积累，导致电场局部增强和器件最终失效。

栅极结构相关性分析：

• 栅极结构的影响：研究者们通过改变器件的栅宽(WG)和栅长(LG)来评估器件面积对TTF的影响。结果显示，仅当通过增加栅宽来增加器件面积时，TTF才会减少；而通过改变栅长来增加面积时，TTF没有显著变化。
• 边缘效应：这一结果表明退化现象主要发生在栅极的边缘区域，而非整个栅极区域。这可能是由于栅极边缘的电场分布不均匀，导致局部电场强度较高，从而更容易产生缺陷和退化。
• 机制解释：退化可能与栅极边缘的局部电场增强有关，这可能导致电荷载流子的注入和陷阱的形成，进而引发时间依赖性的电击穿（TDDB）或其他退化机制。

研究的创新点和亮点：

• 本研究首次详细分析了p-GaN栅极GaN-HEMTs的退化动力学，并揭示了退化主要发生在栅极边缘的新颖发现。此外，通过温度依赖性分析，确定了退化过程的热激活特性。

研究的意义和应用前景：

• 这项研究对于理解和改进GaN-HEMTs的稳定性和可靠性具有重要意义，特别是在高电压应用中。通过揭示退化机制和影响因素，可以指导未来的器件设计和制造过程，以实现更高性能和更长寿命的功率电子器件。这对于推动GaN技术在汽车、工业和消费电子产品中的应用具有积极影响。