【摘要】：GaN基HEMT器件是新一代微波及毫米波功率器件,在頻率、增益和噪聲性能等方面展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢,被視為未來5G時代的核心電子器件。但是GaN基HEMT器件在可靠性方面仍存在一些問題亟待解決,尤其是HEMT器件的熱電子效應與壽命預測問題已經成為其產業(yè)化應用的關鍵影響因素之一。在此背景下,本文主要對AlGaN/GaN HEMT器件的熱電子效應進行仿真研究,明確了不同半導體材料層的陷阱態(tài)分別對GaN HEMT器件熱電子效應的影響。針對HEMT器件的壽命問題,本文通過溫度加速壽命試驗對GaN基HEMT器件進行了壽命預測。本文首先利用Sentaurus TCAD軟件研究了在相同熱電子應力條件下,不同半導體材料層(包括GaN緩沖層、AlGAN勢壘層與器件表面處的陷阱態(tài))的陷阱態(tài)分別對GaN HEMT器件熱電子效應的影響。為相對獨立地研究不同陷阱態(tài)對HEMT器件熱電子效應的影響,本文采用的仿真實驗條件為:柵電極懸空,漏源應力電壓為V_(DS)(stress)=15V的典型瞬態(tài)熱電子應力條件。在此基礎上,采用控制變量法,分別在GaN HEMT器件初始仿真模型中的GaN緩沖層、AlGaN勢壘層及AlGaN勢壘層表面單獨設置不同濃度與不同能級水平的受主陷阱并進行熱電子應力仿真實驗。研究表明,相同熱電子應力條件下,HEMT器件緩沖層與勢壘層中受主陷阱濃度越高、能級越深,器件的特性退化均越發(fā)嚴重,表現(xiàn)為器件I_(D S)(sat)降低、閾值電壓V_(T H)正向漂移。但是,對于相同面密度或能級的受主陷阱,熱電子效應后陷阱位于緩沖層的HEMT,其I_(DS)(sat)退化量比陷阱設置在勢壘層的HEMT器件I_(D S)(sat)退化量大。V_(T H)正漂量則是陷阱設置在AlGaN層的HEMT器件比陷阱設置在GaN層的V_(T H)正漂量大。同時發(fā)現(xiàn)表面態(tài)陷阱在熱電子應力前后對HEMT器件的I_(D S)(sat)與V_(T H)幾乎無影響。此外,本文制定了恒溫加速壽命試驗方案,利用Weibull分布概率圖法計算得到HEMT器件在溫度應力下的加速系數(shù),并確定相應壽命加速方程,然后對指定溫度應力水平的器件平均壽命(MTTF)進行了預測。綜上所述,本文研究發(fā)現(xiàn),相同應力作用下緩沖層陷阱與勢壘層陷阱均會加劇GaN基HEMT器件的熱電子退化效應,前者對HEMT的I_(D S)(sat)退化影響最大,后者對V_(T H)正漂影響最顯著,而表面態(tài)陷阱對HEMT的熱電子效應影響較弱。此外,通過加速壽命試驗,本文預測了GaN基HEMT器件在溫度應力為150oC下的MTTF參考指標。
【圖文】：

西安電子科技大學碩士學位論文TCAD 提供了一個界面交互友好的可視化集成用戶可以根據(jù)自己的研究需求并通過 SWB 的 G組織以及運行模擬等。如圖 3.1 所示為 Sentaurus包，，其核心模塊工具包括：Sentaurus Process（ditor（SDE，器件結構編輯器）、Sentaurus Dev器件仿真結果分析的可視化工具Tecplot-SV與In

對器件施加一定時長的熱電子應力，通過比對熱電子應力前后件 GaN 緩沖層陷阱、AlGaN 勢壘層陷阱以及表面態(tài)陷阱（A的密度與能級位置在熱電子應力過程中分別對器件電學特性的GaN HEMT 仿真模型的器件結構與網格劃分仿真是器件結構參數(shù)是將本課題組實驗測試中所采用的對作為參考進行設置的。如圖 3.3 所示，是 Sentaurus TCAD 中aN HEMT 仿真器件結構圖。該 HEMT 器件的縱向結構參數(shù)自 0.1 m的 AlN 成核層（Nucleation layer）、厚度為 1.5 m 的0 nm 的 AlGaN 勢壘層以及柵源柵漏之間厚度為 60 nm 的 Si3料的 Al摩爾組分為 0.3；器件的橫向結構參數(shù)則包括：長度姆金屬電極、柵極長度 LG為 0.6 m、柵源間距 LGS為 1.4 m。此外，由于在仿真過程中襯底結構對于器件特性沒有影響結構中沒有定義襯底材料，這樣能夠在不影響器件仿真準確性真時間，提高器件的仿真效率。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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