典型应力下增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的退化行为及机理分析

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近年来,人们对于氮化镓(GaN)材料的研究愈发深入,GaN基高电子迁移率晶体管(如AlGaN/GaN HEMT)凭借其优秀的性能,一跃成为大功率电力电子设备领域发展的主要方向之一。但目前世界上对增强型AlGaN/GaN HEMT功率器件的可靠性研究还不完善,探究该类器件在不同应力下的退化行为具有十分重要的意义。本文主要从三种应力(氢效应、HTGB、功率循环)的角度研究了两种增强型AlGaN/GaN HEMT的电学可靠性。具体的研究工作和结果包括:(1)研究了氢气环境下Cascode型AlGaN/GaN HEMT电学特性的变化行为。实验结果表明,氢效应能够使器件的阈值电压减小、输出电流增大、栅泄漏电流减小。通过对器件的栅漏电、低压漏电、高压漏电特性进行对比分析发现,氢效应对器件影响的主要原因是氢原子进入Si MOSFET的栅极氧化层和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层后钝化了一部分缺陷,从而使得器件电学特性产生变化。(2)讨论了HTGB应力下Cascode型AlGaN/GaN HEMT电学特性的退化行为,并将原始器件和经过氢效应处理的器件进行对比,探究了氢效应对器件后续HTGB实验的影响。实验结果表明,器件在受到HTGB应力作用后,其阈值电压增大、输出电流减小、栅泄漏电流增大,经过氢效应处理的器件在HTGB实验后的相关参数仍然优于原始器件,说明氢效应能够有效延缓器件在HTGB实验中的退化速度。通过对三种漏电特性进行对比发现,HTGB应力对器件造成影响的主要原因是高温和长期施加的电场使得Si MOSFET的栅极氧化层和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层产生新的缺陷并进入了部分电子。另外还研究了p-GaN栅型AlGaN/GaN HEMT在HTGB应力下的退化行为,分析了器件在实验前后的低频噪声特性,得知在HTGB应力下,该类器件的界面态、栅极势垒层区域缺陷密度增加,导致电学特性发生退化。(3)研究了Cascode型AlGaN/GaN HEMT原始器件和经过氢效应处理的器件在功率循环后的退化行为。结果表明,器件在经过功率循环实验后,其阈值电压增大、输出电流减小、栅泄漏电流增大、导通电阻增大,且氢效应同样能够延缓器件在功率循环中的退化速度。通过分析三种漏电特性,发现在功率循环实验中器件的Si MOSFET的栅极氧化层、导电沟道和AlGaN/GaN HEMT的栅极势垒层发生了退化。
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