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Ⅲ族氮化物属第三代半导体材料,具有禁带宽度大、电子饱和速度高、且耐高温、耐高压、抗辐射等优良特性,是制备电力电子器件的理想材料。GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)比基于Si、GaAs材料的电力电子器件在高温、高频、大功率领域具有更广阔的应用前景。AlGaN/GaN异质结是GaN基HEMT器件的基本结构,由于GaN材料独特的自发极化和压电极化效应,GaN基HEMT器件沟道处天然存在高浓度的二维电子气(2DEG)。因此传统的GaN基HEMT器件在零栅偏压下处于导通状态,开启电压为负值,是常开型(耗尽型)器件。而为了简化后期栅极驱动电路的设计,降低成本,工业界更需要常关型(增强型)器件。实现增强型器件的原理在于耗尽AlGaN/GaN异质结处的2DEG,可以通过器件工艺来实现,目前有多种方法。其中p型栅技术是通过在势垒层上生长一层p-GaN来耗尽沟道处的2DEG,这种方法工艺可控性强,能够大规模重复生产,是极有发展前景的一种增强型方法。但在商业化之前,还需对器件进行可靠性测试与评估,有待深入调查与研究。本文结合理论计算和实验两种方法,深入研究了 p型栅结构GaN基HEMT器件及其可靠性,主要研究内容和结果如下:1.研究了势垒层厚度和Al组分对p型栅结构GaN基HEMT器件性能的影响。采用Silvaco TCAD软件,通过改变器件中AlGaN势垒层厚度及其Al组分,仿真器件的转移特性曲线(ID-VG)和输出特性曲线(ID-VD),得到了不同AlGaN势垒层厚度和Al组分下器件阈值电压和输出饱和电流的关系。取AlGaN势垒层厚度为15nm,Al组分为23%,对器件进行结构优化,得到较大的正阈值电压和输出饱和电流。2.研究了非故意掺杂GaN缓冲层中缺陷对p型栅结构GaN基HEMT器件性能影响。研究发现缺陷能级越浅,器件关态漏电流和输出饱和电流越大,这是因为缺陷越浅,关态时沟道处导带位置就越低,电子存在的概率就越大,因此漏电流就越大;同时缺陷能级越浅,电离时俘获导带中电子几率越小,输出饱和电流就越大。另外,当缺陷浓度达到5e17cm-3,缺陷俘获截面达到1e-14cm2时,器件出现负跨导现象。通过仿真分析了器件能带结构和电场强度,发现缺陷浓度、缺陷俘获截面增加时沟道中电子隧穿概率增加,且栅极处电场增强,从而导致了器件电流下降,因此出现负跨导效应。3.研究了 p型栅结构GaN基HEMT器件栅极可靠性,揭示了栅极失效的物理机制。通过对器件栅极进行步进应力(step-stress)和双脉冲实验,测试结果显示:当栅极应力从0V增加到13V时,关态漏电流保持稳定并在13V处开始减小,开态电流随栅应力的增大而增加;当栅应力从13V增加到31V时,器件关态电流增加,开态电流减小,阈值电压稍微增大。结合器件的能带结构仿真分析,发现上述电流和阈值电压变化与空穴发射有关。当栅应力到达31V时,阈值电压变得不稳定,漏端电流急剧下降,并在电致发光图像上观察到一个强的亮点,分析表明此时器件在栅-沟道间失效。4.研究了场板结构的p型栅结构GaN基HEMT器件的负跨导效应。通过双脉冲实验,发现器件阈值电压随正向栅极脉冲电压的增加而减小,同时测试后器件的输出电流比测试前增加,这是由于AlGaN层中的施主缺陷电离所致。当外加电压时,施主能级电离,沟道中电子浓度增大,因此器件电流增大;同时,电离后的施主缺陷形成正电荷,导致器件阈值电压降低。随着栅压进一步增加,费米能级逐渐抬高,而施主缺陷的电离又降低了 AlGaN的势垒高度,导致费米能级能够进入到AlGaN的导带,此时电子会从沟道中溢出至AlGaN层并转移到p-GaN层,从而造成了器件电流的减小,导致了负跨导现象。