【摘 要】
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半导体功率器件是电力电子系统的核心元件,随着电力电子技术的快速发展,传统的硅（Si）基功率器件已无法满足高频、高速、高效以及低耗的应用要求。氮化镓异质结高电子迁移率晶体管（Ga N HEMT,Ga N High Electron Mobility Transisitor）因具有高临界电场强度、高电子饱和速度、低导通电阻等特点,在高频功率开关电路中有极其广阔的应用前景。采用P型栅的Ga N HEMT
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半导体功率器件是电力电子系统的核心元件,随着电力电子技术的快速发展,传统的硅（Si）基功率器件已无法满足高频、高速、高效以及低耗的应用要求。氮化镓异质结高电子迁移率晶体管（Ga N HEMT,Ga N High Electron Mobility Transisitor）因具有高临界电场强度、高电子饱和速度、低导通电阻等特点,在高频功率开关电路中有极其广阔的应用前景。采用P型栅的Ga N HEMTs（P-Ga N HEMT,P-Ga N Gate E-Mode Al Ga N/Ga N HEMT）是目前实现增强型（Enhancement-Mode）器件的主流方案。随着P-Ga N HEMTs的不断发展,高集成度和高功率密度带来的高功率耗散不可避免地使器件面临更高的工作结温,高温可靠性已成为器件实用化中的巨大挑战。本文以P-Ga N HEMTs在自热应力后的性能退化为研究对象,研究电应力和热应力以及二者的耦合作用对栅下载流子输运的影响,提出电场和热场诱发陷阱俘获载流子的物理模型。文章的主要研究内容如下:（1）设计针对P-Ga N HEMTs的自热应力测试方案,对肖特基型P-Ga N HEMT功率器件进行半开态(VGS=4V)和全开态(VGS=6V)的自热应力测试。发现半开态应力后出现阈值电压正向漂移、饱和漏极电流下降等退化现象,而全开态自热应力后阈值电压负向漂移,并且饱和漏极电流的变化与器件在应力过程中达到的最高温度相关。结合应力后的栅极漏电变化和静态恢复特性,基于P-Ga N HEMTs栅极空穴注入模型,提出自热应力中栅极电应力促使空穴注入以及热应力激发沟道电子跃迁的物理模型。（2）根据实际器件的结构参数,借助Sentaurus-TCAD仿真器完成P-Ga N HEMT器件模型设计和电-热仿真实验,发现器件栅极靠近漏极的沟道区域出现408K的峰值结温和0.6MV/cm的峰值电场,表明器件沟道结温空间分布与电场分布具有一致性,为自热应力实验中P-Ga N HEMT器件电-热耦合效应提供机理解释。借助ANSYS有限元仿真器完成P-Ga N HEMT晶圆级器件三维模型建立,通过添加热力学模型研究自热效应中温度的不均匀分布,验证了自热效应中器件发热问题的严重性。
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