GaN基HEMT高温特性及热可靠性研究

论文摘要

第三代半导体材料GaN由于具有击穿场强高、热导率大、电子饱和漂移速度高等优良特点,因此相关器件在高温、大功率应用方面具有非常广阔的应用前景。虽然近年来对GaN基HEMT器件的高温、大功率应用已有相当的研究,但对器件高温特性及其热可靠性的研究仍然不够深入。在此背景下本文主要通过仿真及实验对器件的高温特性及热可靠性进行了研究。首先,本文对器件的基本工作机理进行了研究,结合热传导相关理论,对器件正常工作下的自热效应进行了仿真研究,获得了器件内部详细的热分布、热产生以及电学特性的下降。文章通过进一步的仿真研究获得了器件在高温应用的直流特性的退化规律。接着,文章对自主研制的GaN基HEMT器件进行了高温测试,研究了器件在高温环境下各种直流、交流特性的退化规律并给出了退化的物理机制。研究表明,高温下器件二维电子气特性发生明显退化,且位置有向GaN缓冲层漂移的趋势,此外,高温下器件势垒层及AlGaN/GaN界面的陷阱活性增强,陷阱辅助遂穿作用增强,这些因素共同造成了器件电学特性的退化。最后,文章对器件的高温热存储可靠性进行了研究。研究表明,高温热存储后,器件二维电子气明显向势垒层漂移,导致势垒层有效厚度减小,同时器件AlGaN/GaN界面退化,二维电子气迁移率的降低,从而引起了器件一系列电学性能的严重退化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 氮化镓材料及其HEMT器件发展
• 1.2 GaN基HEMT器件热学研究进展及存在问题
• 1.2.1 GaN基HEMT器件热学研究进展
• 1.2.2 当前研究所存在的问题
• 1.3 本文研究内容及安排
• 第二章 GaN基HEMT器件热仿真
• 2.1 热分析理论
• 2.1.1 GaN基HEMT器件工作机理
• 2.1.2 热传导理论
• 2.2 GaN基HEMT器件自热仿真
• 2.2.1 仿真模型及方法
• 2.2.2 仿真结果及分析
• 2.3 GaN基HEMT器件热分析
• 2.3.1 器件的I-T-P关系
• 2.3.2 不同环境温度下的器件特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 GaN基HEMT高温特性研究
• 3.1 实验样品制备
• 3.2 器件高温直流特性
• 3.2.1 器件输出特性研究
• 3.2.2 器件源/漏串联电阻的高温退化
• 3.2.3 器件转移特性
• 3.2.4 器件的肖特基特性
• 3.3 器件高温交流特性
• 3.3.1 器件的电流崩塌
• 3.3.2 C-V特性
• 3.3.3 器件的栅延迟特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 GaN基HEMT热存储可靠性研究
• 4.1 样品制备及实验方法
• 4.2 器件直流特性
• 4.2.1 器件输出特性研究
• 4.2.2 器件源/漏串联电阻
• 4.2.3 器件转移特性
• 4.2.4 器件的肖特基特性
• 4.3 器件交流特性研究
• 4.3.1 C-V特性
• 4.3.2 器件的电流崩塌
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献