GaN基高电子迁移率晶体管器件的可靠性及退化机制研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件在航天、通讯、雷达、电动汽车等领域具有广泛的应用,近年来成为电力电子器件的研究热点。在实际应用中,GaN基HEMT器件随着使用时间的延长会发生退化甚至失效的情况,器件的可靠性问题仍是进一步提高HEMT器件应用的绊脚石。因此,研究器件的可靠性及退化机制对于进一步优化器件性能具有极其重要的意义。将从影响器件可靠性的几个关键因素如高电场应力、高温存储、高温电场和重离子辐照等进行阐述,主要对近几年文献里报道的几种失效机制及相应的失效现象进行了综述和总结,最后讨论了进一步优化器件可靠性的措施,对进一步提高HEMT器件的应用起促进作用。     

GaN基高电子迁移率场效应管的可靠性研究

虽然Ga N基高电子迁移率场效应管(HEMT)在高频大功率器件方面具有突出的优势并已经在应用领域取得了重要的进展,但由于Ga N基HEMT器件的材料缺陷密度高、高电场工作环境、Ga N基异质结特有的强极化效应以及工艺复杂等问题,使得Ga N基HEMT的可靠性问题十分突出。这些问题导致现有Ga N基HEMT器件的实际表现一直与其理论值有一定差距。因此,要想实现Ga N基HEMT器件全面、广泛的商业应用,必须对其可靠性做深入的研究分析。在该文中,我们利用不同的测试方法,从不同的角度对Al Ga N/Ga N HEMT的可靠性问题进行了研究。首先,我们观察并讨论了Al Ga N/Ga N HEMT器件输运过程中由载流子的俘获导致的Kink效应。实验表明:载流子俘获过程是由高场诱导的栅极电子注入到栅极下Al Ga N势垒层中深能级的过程;载流子的去俘获过程则是由沟道中的热电子碰撞离化被俘获的电子引起的。其次,我们对Ga N基HEMT器件进行了阶梯电压应力可靠性测试,并观察到了一个临界应力电压,超过这个临界电压后Al Ga N/Ga N HEMT可以从之前的低电压应力引起的退化中逐渐恢复。研究发现:低电压应力引起的器件的退化是由电子在表面态或者体缺陷中被俘获引起的;器件性能的恢复则是由于电场诱导的载流子去俘获机制。最后,我们利用不同的测试方法详细分析了关态下Al Ga N/Ga N HEMT的击穿特性和电流传输机制。我们在三端测试中观察到了与缓冲层相关的Al Ga N/Ga N HEMT的过早硬击穿现象;然后我们利用漏极注入测试方法验证了源-漏间缓冲层漏电的存在。分析结果表明缓冲层漏电是由电场引起的势垒下降、能带弯曲和缓冲层缺陷共同决定的。在电场足够高的时候,缓冲层漏电可以引起Al Ga N/Ga N HEMT过早发生硬击穿。     

p型栅结构氮化镓基高电子迁移率晶体管结构优化

为了简化后期栅极驱动电路设计、降低成本,工业界对增强型高电子迁移率晶体管的需求与日俱增.采用p型栅结构制备增强型器件的方法是目前极有前景的一种增强型方法.该方法致力于提高器件的正向阈值电压和输出饱和电流,通过Silvaco TCAD软件调节AlGaN势垒层厚度及其Al组分,仿真器件转移特性曲线和输出特性曲线.将AlGa...     

高电子迁移率晶体管的光照特性分析

以光照下耗尽型ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ高电子迁移率晶体管为例,考虑了光生载流子对半导体内电荷 影响和光压效应,采用器件的电荷控制模型,分析了光照对器件夹断电压、二维电子气（２－ＤＥＧ）浓度、Ｉ－Ｖ特性以及跨导的影响,与无光照的情况相比较,夹断电压变小）绝对值变大）,二维电子浓度增大,从而提高了器件的电流增益,跨导对光照不敏感。     

短沟道AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的Ⅰ-Ⅴ特性研究

考虑栅电压、漏电压和沟长调制效应影响下,在长沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)的Ⅰ-Ⅴ输出特性基础上,引入有效迁移率和有效沟道长度,推导了短沟道AlGaN/GaN HEMT的电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)输出特性模型.通过比较栅长为105nm时模型计算结果与实际器件的输出特性,表明推导的短沟道AlGaN/GaN HEMT的Ⅰ-Ⅴ模型与实验结果基本相符,误差小于5%.     

0.5μm栅长HfO_2栅介质的GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管

为了抑制GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极漏电,提出了一种0.5μm栅长的GaN金属氧化物半导体(MOS)高电子迁移率晶体管结构。该结构采用势垒层部分挖槽,并用高介电常数绝缘栅介质的金属氧化物半导体栅结构替代传统GaN HEMT中的肖特基栅。基于此结构制备出一种GaN MOSHEMT器件,势垒层总厚度为20nm,挖槽深度为15nm,栅介质采用高介电常数的HfO_2,器件栅长为0.5μm。对器件电流电压特性和射频特性的测试结果表明:所制备的GaN MOSHEMT器件最大电流线密度达到0.9 A/mm,开态源漏击穿电压达到75 V;与GaN HEMT器件相比,其栅极电流被大大压制,正向栅压摆幅可提高10倍以上,并达到与同栅长GaN HEMT相当的射频特性。     

GaN基激光器的研究进展

GaN材料作为第三代半导体材料具有十分独特的性能,其发光波段可以覆盖从红外到深紫外波段。GaN材料击穿电场强、发光效率高,使其在显示、照明、通信等领域具有非常广泛的应用。综述了GaN基激光器的发展历程及其失效和退化机制的研究进展。目前最新的蓝光GaN基激光器在3 A电流连续工作时的电压和输出功率为4.03 V和5.25 W;最新的绿光激光器波长为532 nm,在电流1.6 A时,输出功率为1.19 W。进一步阐述了GaN基激光器退化的主要表现,即随着工作时间的延长,激光器发光效率降低、光转化效率降低以及电压升高。总结了四种主要的退化模式,分别为封装退化、静电损伤、腔面退化和芯片失效。     

GaN基Micro-LED量子效率的研究进展

微米级发光二极管（Micro light-emitting diode, Micro-LED）器件具有高亮度、高耐热性、长寿命、低功耗以及极短的响应时间等优点,被视为下一代显示技术的基石,可满足手机、可穿戴手表、AR/VR、微型投影仪、超高亮度显示器等先进设备应用的个性化需求。Micro-LED显示芯片与目前用于高亮度照明的无机半导体芯片具有相似的特性。当管芯直径减小到微米级时,会出现尺寸效应与Droop效应,量子效率急剧下降,器件整体性能受限。介绍了发光二极管的量子效率及影响GaN基Micro-LED量子效率的因素,并提出提升内量子效率和光提取效率的措施,同时对Micro-LED的未来研究与应用进行了总结与展望。     

制备GaN基材料的数值模拟研究进展

综述了紫外探测器的实际应用,特别介绍了紫外预警系统的作用原理;详细介绍了GaN基材料及其生长方法;对MOCVD法制备GaN基材料的过程做了详细描述,特别介绍了国内外MOCVD系统制备GaN基材料的数值模拟方法。     

AlN/GaN量子阱中光学声子所限制的电子迁移率

在介电连续模型和单轴模型的框架下,采用雷-丁平衡方程理论,考虑量子阱中界面光学声子模和局域体光学声子模的影响,分别计算了纤锌矿型和闪锌矿型AlN/GaN量子阱中电子平行于异质结界面方向的迁移率,给出迁移率随阱宽的变化关系,并讨论了结构各向异性效应对电子迁移率的影响.     

面向高性能GaN基功率电子的器件物理研究

氮化镓(GaN)功率电子器件具有高击穿电压、高工作频率、高电流输出能力以及耐高温等优点,有望成为下一代高效电源管理系统芯片的最佳候选之一.本文从界面态起源、极化能带工程以及可靠性机理等角度分析了GaN基功率电子器件所面临的器件物理挑战,包括栅极阈值不稳定性、高压动态导通电阻退化、高阈值栅技术和栅介质长期可靠性等关键科学问题和技术瓶颈.分析指出(Al)GaN表面的无序氧化可能是GaN基器件表/界面态的主要来源,并有针对性地介绍了界面氮化插入层、极性等离子增强原子层沉积AlN薄膜(Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposited AlN,PEALD-AlN)钝化、F离子注入与高温栅槽刻蚀增强型技术,以及低压化学气相沉积SiNx(Low-Pressure Chemical Vapor Deposited SiNx,LPCVD-SiNx)和O3-Al2O3高绝缘栅介质等提高GaN基增强型器件性能的新型工艺技术.系统分析了国际有关高性能GaN功率电子器件研究的最新进展,及未来面临的机遇和挑战.     

GaN基垂直腔面发射激光器的研究进展

GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种具有垂直出光结构的新型半导体激光器,其发光波长可覆盖整个可见光波段.与边发射激光器相比,VCSEL具有单纵模工作、低阈值电流、圆形对称光斑、与光纤耦合效率高以及可以制备高密度二维阵列等优点,因此被认为是下一代半导体照明、微投影、全色显示、可见光通信等应用领域的理想光源.GaN基VCSEL发展至今已经取得长足的进展,距离实现产业化应用也越来越近.本文对照目前已经发展成熟的GaAs基VCSEL的发展状况,综述了GaN基VCSEL的应用领域、发展现状、技术路线,并着重介绍了绿光GaN基VCSEL所取得的一系列进展,最后简述了GaN基VCSEL所面临的技术挑战.     

ZnSe及ZnSe基异质结构中电子迁移率随静压之变化

考虑压力对有效质量的影响,讨论电子迁移率随压力的变化,分别计算并比较了体ZnSe、ZnSe/GaAs外延层以及ZnSe/ZnS超晶格系统中电子迁移率随压力的变化,提出了非自由基超晶格系统的等效外延层模型.研究表明,内部应变和衬底对系统的电子迁移率随压力变化有重要影响,自由基和非自由基系统中电子迁移率的压力特性有很大区别.     

石墨烯晶体管研究进展

针对集成电路的特征尺寸小于10nm以下所面临的短沟道效应、隧道效应和制造工艺限制困难引发的研究热点——石墨烯能否替代硅,着重从数字晶体管、射频晶体管和柔性透明晶体管3个方面概括和分析了新型石墨烯晶体管的发展现状。分析认为:石墨烯平行纳米带阵列结构和异质结结构有望打开石墨烯禁带以实现大的电流开关比,将是石墨烯数字晶体管的研究热点;通过降低接触电阻、接入电阻以及衬底、栅介质的匹配来提高截止频率和最大振荡频率将是石墨烯射频晶体管的主要发展趋势;基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底和离子凝胶栅介质的柔性制造技术,最有希望在保证石墨烯高迁移率的基础之上实现全石墨烯透明柔性电路,使石墨烯晶体管得以实用,必将对集成电路行业产生巨大影响。     

光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中电子迁移率的影响

考虑导带弯曲和有限高势垒,利用变分法和力平衡方程研究了界面光学声子和半空间光学声子散射对纤锌矿AlN/GaN异质结中二维电子气(2DEG)迁移率的影响,数值计算了各支光学声子作用下迁移率随电子面密度及温度的变化.结果表明:总迁移率随电子面密度先上升后下降,随温度升高则一直呈下降趋势.在较低电子面密度时,沟道区的体纵光学声子散为影响迁移率的主要因素;当电子面密度大于4×10113/cm2时,界面声子散射成为主要因素.     

不同掺杂元素对GaN基材料发光性能影响研究进展

由于GaN材料本身具有的极大优越性,如大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等,决定了GaN基材料及其器件在发光半导体材料领域中的重要地位,而高质量GaN的掺杂制备一直是研究者关注的热点.本文根据近几年国内外对掺杂GaN基材料的研究成果,总结概括了IIA族、过渡族以及稀土族元素对GaN的掺杂,分析讨论了不同掺杂元素对GaN基材料发光性能的影响,并以Mg掺杂GaN为例,对比了各种掺杂技术的优缺点.     

对基于GaN晶体管自加热效应的研究

采用有限元分析方法(FEM)求解泊松方程,连续性方程,以及热传导方程对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的自加热效应进行了数值模拟研究。着重比较了晶体管在SiC、Si及蓝宝石衬底上的沟道温度和漏电流。同时讨论了在外延层和衬底接触处的热边界电阻对晶体管电行为的影响。数值模拟表明,由于SiC的热导比较大,晶体管在其衬底上有较大的漏电流和较低的沟道温度,热边界电阻对其电行为有比较大的影响。相反,由于蓝宝石的热导比较小,晶体管在其衬底上有较低的漏电流和较高的沟道温度,显现出了比较大的自加热效应,热边界电阻对其电行为的影响可以忽略。     

用晶体管测电子电荷

介绍一种测量电子电荷的简易方法,测量装置简单,结果准确,可以作为学生实验。     

乙酰丙酮镁对有机场效应晶体管迁移率的影响

载流子迁移率是有机场效应晶体管(OFETs)的重要参数,直接决定了OFETs的功率和工作频率,对电子纸和射频标签等实际应用起到至关重要的作用。为了提高以聚(3-己基噻吩)(P3HT))和聚苯乙烯(PS)的混合物作为半导体材料的OFETs的载流子迁移率,提出利用结晶的乙酰丙酮镁来诱导P3HT在界面处结晶的方法。研究了使用不同量的乙酰丙酮镁掺杂的热交联聚乙烯基苯酚(CPVP)作为介电材料时OFETs性能的变化。结果表明,当在常用介电材料CPVP中掺杂适量乙酰丙酮镁(质量分数为0.6%)作为介电层时,器件的载流子迁移率达到最大(2.88×10-2 cm2/(V·s)),是单纯使用CPVP介电层时迁移率的11倍。     

GaN基MSM结构紫外光探测器

在蓝宝石(0001)衬底上采用低压金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaN外延层, 以此为材料, 制作了暗电流很小的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外光探测器. 测量了该紫外光探测器的暗电流和360 nm波长光照下的光电流曲线、光响应曲线和响应度随偏压变化的曲线. 该紫外光探测器在5 V偏压时暗电流为1.03 nA, 在10 V偏压时暗电流为15.3 nA. 在15 V偏压下该紫外光探测器在366 nm波长处的响应度达到0.166 A/W, 在365 nm波长左右有陡峭的截止边. 从0~15 V, 该紫外光探测器在360 nm波长处的响应度随着偏压的增加而增大. 详细地分析了该紫外光探测器的暗电流、光电流、响应度随偏压变化的关系.