自熱效應下P-GaNHEMT 的閾值漂移機理*

匡維哲，周 琦，陳佳瑞，楊 凱，張 波

(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054)

1 引言

GaN HEMT 器件憑借其體積小、工作頻率高、輸出功率大等獨特優(yōu)勢，現(xiàn)已成為半導體技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。同時，P-GaN 柵增強型HEMT 器件（P-GaN HEMT）作為高頻、高功率應用中的一種優(yōu)選解決方案，廣受國內(nèi)外學術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的青睞。然而，隨著高集成度、高功率密度成為P-GaN HEMT 器件的發(fā)展趨勢，更顯著的自熱效應引發(fā)的可靠性問題已成為制約其發(fā)展的瓶頸。目前，針對GaN HEMT 器件在高環(huán)境溫度下的可靠性問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛研究，MILLESIMO 等[1]通過高溫環(huán)境下的柵極應力實驗驗證了溫度與柵極電壓偏置是影響器件柵極經(jīng)時擊穿（TDGB）特性的關(guān)鍵因素。TALLARICO 等[2]對比了是否對柵極金屬層進行刻蝕的兩組器件在環(huán)境高溫下的電學特性，進一步指出高溫下柵極金屬肖特基結(jié)的退化現(xiàn)象是器件特性退化的主要原因之一。盡管如此，國外針對器件溫度特性的研究大多僅聚焦于外加環(huán)境高溫，對于器件自熱狀態(tài)下的可靠性問題卻鮮有文獻報道，且并未對器件高溫下的載流子輸運機理歸納出系統(tǒng)的物理模型。本文提出了一種漏極電流注入技術(shù)，研究了器件在自熱狀態(tài)下的可靠性問題，并根據(jù)實驗與Sentaurus TCAD 仿真結(jié)果建立了相應的物理機理模型。

2 器件結(jié)構(gòu)及研究原理

本文用于自熱效應研究的器件選用商用100 V 肖特基型P-GaN HEMT，器件基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。該器件的柵金屬與P-GaN 層為肖特基接觸，P-GaN 層與AlGaN 層接觸將產(chǎn)生內(nèi)建電勢，用于提高能帶并耗盡柵下溝道二維電子氣（2DEG）以實現(xiàn)增強型，所以一般將其柵極堆疊結(jié)構(gòu)等效為一個肖特基二極管（SBD）與P-i-N 二極管背靠背串聯(lián)。……