【摘 要】
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氮化镓（GaN）器件凭借其高电子迁移率、高二维电子气密度等优势广泛应用于雷达、通信等领域。在实际应用中,氮化镓器件会面临氢气环境,这可能对器件的电学性能产生影响。因此本文主要针对氮化镓器件的氢效应和氢处理后氮化镓HEMT器件的电应力可靠性两个方面开展现象分析和机理研究。首先开展了氮化镓器件的氢效应研究。将GaN器件置于压强0.5MPa、浓度为99.9%的氢气气氛中,并于120℃下处理168h。氢处
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氮化镓（GaN）器件凭借其高电子迁移率、高二维电子气密度等优势广泛应用于雷达、通信等领域。在实际应用中,氮化镓器件会面临氢气环境,这可能对器件的电学性能产生影响。因此本文主要针对氮化镓器件的氢效应和氢处理后氮化镓HEMT器件的电应力可靠性两个方面开展现象分析和机理研究。首先开展了氮化镓器件的氢效应研究。将GaN器件置于压强0.5MPa、浓度为99.9%的氢气气氛中,并于120℃下处理168h。氢处理后,器件阈值电压负向漂移0.8V,峰值跨导和饱和漏电流增加,关态漏电流和反向栅泄漏电流减小。进一步实验结果表明,氢处理抑制了器件的电流崩塌和栅延迟,使得器件栅延迟时间由100μs减小到10μs。GaN器件氢效应的作用机理是H2分子在金属的催化作用下分解成H原子,一部分H原子在扩散运动中钝化了陷阱,使氢处理后器件噪声功率谱密度减小一个数量级,陷阱密度从2.36×1019e V-1cm-3减小到7.23×1018e V-1cm-3,因此器件的电流崩塌和栅延迟得到了改善。另一部分H原子在扩散运动中失电子而成为H+离子分布于异质结界面附近,变频电导表征结果表明氢处理后器件Metal/Al GaN接触界面态密度减小,Al GaN/GaN异质结界面陷阱态密度略微增加。这与氢处理后双栅器件表面泄漏电流减小和体泄漏电流增加的现象相符合,证明了异质结界面H+离子的存在。随后开展了氢处理GaN HEMT器件在电应力下的退化机理研究。研究中分别开展关态高场/半开态/开态应力实验。关态高场应力使氢处理器件反向栅泄漏电流和关态漏电流增加,退化量随栅压绝对值的增加而增加。这可解释为高场应力下陷阱的脱氢行为。开态应力导致氢处理器件阈值电压正漂,正漂量先快速增加然后达到饱和。为了探究开态应力下氢处理器件阈值电压正漂的机理,开展了漏压为0V的相同栅压偏置实验。结果表明氢处理后器件异质结界面附近存在大量的H+离子陷阱,正栅压下沟道电子填充H+离子陷阱而造成了器件阈值电压的正向漂移。进一步研究发现,开态应力下器件的阈值电压正漂量随栅压的增加而增加,栅压增加会使沟道内载流子数目增加、纵向电场减弱,导致发生热载流子效应的几率增加。此外,开态应力下器件的阈值电压正漂量还随漏压的增加而增加,漏压增加会使横向电场增强,使得载流子溢出沟道几率增加。在半开态应力下,器件同时表现出泄漏电流的增加和阈值电压的正漂,此时器件电学特性的变化是上述多种机制共同作用的结果。本论文的研究成果为分析氮化镓HEMT器件在氢气氛围下的退化提供了重要参考,进而可为器件在氢气环境下的可靠性提升提供重要帮助。
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