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退火(PGA)对AlGaN/GaN HEMT器件栅可靠性的影响研究

2021-09-10

近年来,由于AlGaN/GaN HEMTs器件在高频和大功率应用领域中表现出诸多优异特性,而受到广泛的关注。尽管AlGaN/GaN HEMTs相关的材料质量和器件设计方面已经有了很大的提高,但是其可靠性仍存在很多问题,比如栅退化、逆压电效应和热电子效应等。其中,器件的栅退化容易发生在一个大的关态应力之"后。Marcon等人认为栅退化是一个电场加速的过程,这意味着金属-半导体界面的漏电流将对HEMTs的栅退化有着重要的影响。因此,理解器件反向栅漏电流的机制将有助于解决栅退化的问题,从而提高栅极可靠性。目前,人们已经提出了多种机制来解释AlGaN/GaN肖特基栅的反向漏电问题。其中,陷阱辅助隧穿(TAT),与导电位错相关的Poole-Frenkel发射是小电场下两种最主要的机制。而当AlGaN势垒层中的电场足够大时,反向栅极漏电流主要来自于Fowler–Nordheim(FN)隧穿。为了减小AlGaN/GaN HEMT器件的反向栅极漏电,人们尝试引入了栅介质层、表面处理、后栅退火(PGA)等技术。PGA是一种简单而又有效的技术,其可以很好地降低器件反向栅极漏电流。但是,PGA处理前后器件反向栅极漏电的物理机制,及PGA技术对器件栅极可靠性影响的研究较少。

中国科学院彩之"堂app下载王晓亮研究员课题组通过分析PGA(400 ℃)处理前后器件电流-电压曲线随温度的变化规律,研究了相应器件在低反向偏压下的漏电流机制。作者发现,在低反向偏压区域 (Vth < VG < 0 V),器件的反向栅漏电流与势垒层中电场满足Poole–Frenkel (PF) 发射机制,如图1所示。从图1中可以看到,经过PGA处理后,PF漏电机制的发射势垒高度由0.139 eV增加到0.256 eV。相应地,器件的反向栅漏电流减小了一个数量级。此外,作者还通过对器件施加反向的阶梯应力来研究了退火前后器件肖特基栅的可靠性,如图2所示。实验结果展示了,在施加阶梯应力过程中,未退火器件会突然出现漏电流陡增的现象。这表明未退火器件的栅极在应力作用下出现明显损伤。相反,退火器件的漏电流在整个应力过程中保持平稳,说明退火器件的栅极在应力作用下未出现明显损伤。这说明PGA处理可以有效降低器件的反向栅极漏电流,提高器件的栅可靠性。

图1. 不同温度下,ln(J/E) 随E0.5的线性拟合曲线。(a)未退火器件。(b)退火器件。插图:陷阱能级的位置为B (T)随q/KT变化曲线的斜率。

图2. 反向栅阶梯应力下,器件三端电流随时间的变化关系。(a)退火前器件。(b)退火后器件。插图:施加的阶梯应力随时间的变化情况(V step = -5 V,t step = 60 s)。

本文章从AlGaN/GaN HEMT器件的反向栅极漏电机理出发,说明了后栅退火对器件反向栅极漏电机理的影响,并对退火前后反向栅极漏电流的变化进行了解释。因此,可以为进一步减小器件反向栅极漏电,提高器件栅极可靠性提供一定的思路。同时,本论文也证实了,后栅退火技术可以有效的减小器件的反向栅极漏电,提高器件的栅极可靠性。

Effect of the post-gate annealing on the gate reliability of AlGaN/GaN HEMTs

Changxi Chen, Quan Wang, Wei Li, Qian Wang, Chun Feng, Lijuan Jiang, Hongling Xiao, Xiaoliang Wang

J. Semicond. 2021, 42(9): 092802

doi:?10.1088/1674-4926/42/9/092802

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