【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(yīng)與壽命預(yù)測問題已經(jīng)成為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)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(yīng)進(jìn)行仿真研究,明確了不同半導(dǎo)體材料層的陷阱態(tài)分別對GaN HEMT器件熱電子效應(yīng)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(jìn)行了壽命預(yù)測。本文首先利用Sentaurus TCAD軟件研究了在相同熱電子應(yīng)力條件下,不同半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的影響,本文采用的仿真實驗條件為:柵電極懸空,漏源應(yīng)力電壓為V_(DS)(stress)=15V的典型瞬態(tài)熱電子應(yīng)力條件。在此基礎(chǔ)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(shè)置不同濃度與不同能級水平的受主陷阱并進(jìn)行熱電子應(yīng)力仿真實驗。研究表明,相同熱電子應(yīng)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(yán)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(yīng)后陷阱位于緩沖層的HEMT,其I_(DS)(sat)退化量比陷阱設(shè)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(shè)置在AlGaN層的HEMT器件比陷阱設(shè)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(yīng)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(yīng)力下的加速系數(shù),并確定相應(yīng)壽命加速方程,然后對指定溫度應(yīng)力水平的器件平均壽命(MTTF)進(jìn)行了預(yù)測。綜上所述,本文研究發(fā)現(xiàn),相同應(yīng)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(yīng),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(yīng)影響較弱。此外,通過加速壽命試驗,本文預(yù)測了GaN基HEMT器件在溫度應(yīng)力為150oC下的MTTF參考指標(biāo)。
【圖文】：

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)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(jié)構(gòu)編輯器）、Sentaurus Dev器件仿真結(jié)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(yīng)力，通過比對熱電子應(yīng)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(yīng)力過程中分別對器件電學(xué)特性的GaN HEMT 仿真模型的器件結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分仿真是器件結(jié)構(gòu)參數(shù)是將本課題組實驗測試中所采用的對作為參考進(jìn)行設(shè)置的。如圖 3.3 所示，是 Sentaurus TCAD 中aN HEMT 仿真器件結(jié)構(gòu)圖。該 HEMT 器件的縱向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對于器件特性沒有影響結(jié)構(gòu)中沒有定義襯底材料，這樣能夠在不影響器件仿真準(zhǔn)確性真時間，提高器件的仿真效率。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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