AlGaN/GaN HEMT高场退化效应与温度特性研究

论文摘要

GaN具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移速度高等特点,在高温以及微波功率器件制造领域具有极大的潜力。其中,异质结AlGaN/ GaN的HEMT器件在微波大功率和高温应用方面均具有明显的优势,已经成为当前研究的热点之一,但是仍未实现商业化,主要是由于对AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性问题还需要更多的分析和研究。本文即在此背景下对AlGaN/GaN HEMT器件的高场应力可靠性和温度特性进行了广泛而且较深入的研究。主要研究工作和成果如下:本文首先给出了自主研发的AlGaN/GaN HEMT完整的工艺流程,制造出了具有良好特性的蓝宝石衬底和SiC衬底AlGaN/GaN HEMT;其次,本文对自行研制的AlGaN/GaN HEMT器件的高场退化效应作了研究,重点研究了几种典型高场应力下的器件退化,得到器件关键参数随应力时间的退化规律。通过对器件分别施加变漏压应力和变栅压应力,研究应力条件对器件退化的影响,结果表明,器件在开态和关态应力下的退化机制各有侧重:在开态情况下,沟道热电子效应占优势,在关态情况下,则是栅电子注入效应占优势。此外,结合已有的实验结果,提出了几种改善高场退化效应的措施,为改进器件材料和工艺提供了指导方向;最后,对AlGaN/GaN HEMT的高温特性以及热存储特性进行了研究。研究表明:高温情况下,材料迁移率下降是器件输运特性退化的主要原因;而短期热存储之后,器件性能的提高是由于陷阱对电子的释放引起。综上所述,本文在自主研制的高质量AlGaN/GaN异质结材料上,通过一系列工艺步骤,成功地研制出具有良好特性的AlGaN/GaN HEMT,并对器件的高场应力可靠性和温度特性进行了分析研究,取得了较为满意的结果。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.1.1 GaN 基器件的应用前景和研究进展

1.1.2 GaN 基器件可靠性的研究现状

1.1.3 目前存在的问题

1.2 本论文研究内容及安排

第二章 AlGaN/GaN HEMT 工艺与基本理论

2.1 AlGaN/GaN HEMT 工艺

2.1.1 AlGaN/GaN HEMT 的材料结构

2.1.2 AlGaN/GaN HEMT 器件关键工艺

2.2 AlGaN/GaN HEMT 工作原理

2.2.1 二维电子气产生机理

2.2.2 器件的直流特性与频率特性

2.2.3 器件特性参数的测量

2.3 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT 器件的高场退化效应研究

3.1 AlGaN/GaN HEMT 器件中的高场退化效应

3.1.1 实验样品和实验流程

3.1.2 AlGaN/GaN HEMT 器件高场退化的模型概述

3.2 不同高场应力条件下AlGaN/GaN HEMT 的参数退化

3.2.1 开态应力下器件性能的退化

3.2.2 关态应力下器件性能的退化

3.2.3 几种应力下HEMT 器件性能退化的比较

3.2.4 高场应力下器件退化与电流崩塌的关系

3.3 应力条件与AlGaN/GaN HEMT 器件特性退化的联系

3.3.1 栅电压应力对高场退化的影响

3.3.2 漏电压应力对高场退化的影响

3.3.3 改善高场退化效应的措施

3.4 本章小结

第四章 AlGaN/GaN HEMT 器件的温度可靠性研究

4.1 不同温度下AlGaN/GaN HEMT 性能研究

4.1.1 温度对肖特基接触性能的影响

4.1.2 温度对欧姆接触性能的影响

4.1.3 温度对AlGaN/GaN HEMT 器件特性的影响

4.2 AlGaN/GaN HEMT 的高温存储特性研究

4.3 本章小结

第五章结束语

致谢

参考文献

作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目

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