GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)作為第三代半導(dǎo)體的典型器件,在微波大功率方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。已經(jīng)初步在第四代移動(dòng)通訊和雷達(dá)技術(shù)中發(fā)揮了重要作用,國內(nèi)外對(duì)此非常重視,但是ALGaN/GaN HEMT在高壓大功率條件下,電場和熱量的集聚,有可能造成燒毀等極端的情況出現(xiàn)。AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性與器件的設(shè)計(jì)原理和工作機(jī)制深刻相關(guān),是器件在工程應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵核心問題。在應(yīng)用場景中,除了常規(guī)的電流崩塌、熱電子和逆壓電效應(yīng)等導(dǎo)致的性能退化外,還需要考慮工藝過程中的缺陷,器件裝配等引入的可靠性問題。目前的器件功率密度和工作電壓距離理論極限還有較大的差距,只有進(jìn)一步的解決AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性問題,提升器件的關(guān)鍵參數(shù)才能充分發(fā)揮其在高壓大功率方面的優(yōu)勢。以大功率氮化鎵高電子遷移率晶體管可靠性為研究對(duì)象,從器件的工作原理出發(fā),結(jié)合對(duì)電應(yīng)力和熱應(yīng)力的仿真分析,挖掘出了影響可靠性的因素,有針對(duì)性的優(yōu)化了參數(shù)。對(duì)失效器件的缺陷采用電致發(fā)光(EL)、高溫測試、聚焦離子束(FIB)等技術(shù)手段進(jìn)行解剖分析。通過器件理論指導(dǎo)對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析,深入探究器件可靠性問題的機(jī)理。最終成功設(shè)計(jì)并制備了AlGaN/GaN HEMT器件,擊穿電壓大于175 V、工作電壓為80 V,在L波段輸出功率為750 W、效率為80%。論文的主要研究內(nèi)容如下:(1)在器件擊穿電壓和熱仿真方面,結(jié)合碰撞電離模型和電場分布模擬,對(duì)影響器件擊穿電壓的因素進(jìn)行了分析,對(duì)場板結(jié)構(gòu)在不同電壓下的作用進(jìn)行了仿真。場板尺寸的優(yōu)化可以平滑電場,通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了最優(yōu)的場板結(jié)構(gòu)。利用熱仿真技術(shù),對(duì)影響AlGaN/GaN HEMT器件熱特性的襯底材料、源漏金屬寬度、單指柵寬等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析,并發(fā)現(xiàn)不同脈沖條件對(duì)熱分布有較大的影響,為解決熱可靠性問題提供了理論指導(dǎo)。(2)在芯片工藝可靠性提升方面開展工作。提出采用難熔金屬Ta/Mo作為阻擋層制備高質(zhì)量的源漏金屬。在柵制作工藝中采用雙層氮化硅介質(zhì)刻蝕技術(shù),制備出雙凹槽的結(jié)構(gòu),再通過金屬蒸發(fā),制備了可靠穩(wěn)定的肖特基柵。在表面鈍化工藝中,采用了SiN/有機(jī)涂層/SiN的復(fù)合鈍化的改進(jìn)方案,提高器件的抗?jié)駳馇治g能力。(3)采用在高溫條件下的測試手段,研究了高溫300℃條件下,器件的柵開啟電壓、源漏泄漏電流等特性。研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高(25℃到300℃)柵對(duì)溝道的控制能力開始下降,主要體現(xiàn)在柵開啟電壓降低,跨導(dǎo)降低及飽和電流的降低,高電壓下源漏溝道漏電的增大,這些現(xiàn)象都會(huì)有損于器件的微波放大能力。對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析,并提出了存在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)包括管殼封裝在內(nèi)的熱分布進(jìn)行了分析,采用紅外熱像儀對(duì)不同單指柵寬的器件進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)單指柵寬和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過對(duì)模型進(jìn)行精確修正后,仿真和測試結(jié)果可以較好的吻合。(4)針對(duì)器件失效機(jī)制開展了加電老化、高溫烘焙和極限電流電壓試驗(yàn)。在加電老化導(dǎo)致器件失效分析方面,通過電致發(fā)光(EL)手段對(duì)失效的器件進(jìn)行分析定位。通過離子束切割(FIB)技術(shù)對(duì)失效點(diǎn)進(jìn)行剖面切割,并結(jié)合掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)柵結(jié)構(gòu)剖面進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)了失效器件不同柵條的位置存在柵邊緣斷裂和柵下缺陷兩種失效模式,有效的解釋了在器件加電老化過程中出現(xiàn)直流退化的原因。在高溫烘焙失效分析方面,利用SEM和能譜確認(rèn)了工藝過程中通孔金屬粘附性差是造成高溫烘焙造成失效的原因。在極限電壓電流失效分析方面,通過電壓和電流極限試驗(yàn)得到了器件兩種不同的燒毀模式。(5)在高壓大功率器件設(shè)計(jì)制作方面,通過器件和工藝優(yōu)化,借鑒電熱仿真的結(jié)果和可靠性分析結(jié)果,設(shè)計(jì)并成功制作了50 mm柵寬的微波功率器件,器件在80 V漏極電壓下、輸入功率為42 dBm時(shí),輸出功率達(dá)到58.8 dBm,即750 W,功率密度15 W/mm、效率為80%、增益為16.8 dB。對(duì)該器件進(jìn)行了20分鐘射頻老化試驗(yàn),器件的飽和功率和泄露電流保持不變。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

圖 1.1 一代、二代、三代半導(dǎo)體的頻率和功率特性[16]代和第五代移動(dòng)通信的應(yīng)用中，硅基 LDMOS 器件已經(jīng)不能滿用。GaN 器件的工作頻率很容易達(dá)到幾十 GHz，并且具有的率密度、高輸出阻抗等特性，其非常適合用作高頻、寬帶功率放底又可以大幅提高其散熱特性，從而實(shí)現(xiàn)射頻功放追求的高積的目標(biāo)�；� SiC 襯底的氮化鎵將會(huì)替代硅基的 LDMOS射頻功放的主流技術(shù)。目前 GaN 技術(shù)在移動(dòng)通信基站射頻功界都還處于起步階段，國內(nèi)外的研究也處于同步發(fā)展階段，大的長期可靠性問題備受關(guān)注。/GaN HEMT 的發(fā)展?fàn)顩r M.A.Khan 等人制備了第一只氮化鎵高電子遷移率晶體管( G

圖 1.2 GaN 微波功率器件國外技術(shù)發(fā)展趨勢 GaN 技術(shù)的日趨成熟，國外開始將 GaN 功率器件向太空應(yīng)禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的 GaN 器件的固有優(yōu)勢，制成重量更太空應(yīng)用的電子設(shè)備[71-75]。日本住友電工美國 SEDU 公司在 議（IMS）上展示了一款空間應(yīng)用的新一代 GaN 微波功率器，在 1.575 GHz 下輸出功率 150 W，功率附加效率 71.2%，于 18dB，采用單端封裝。2014 年 12 月美國 Raytheon 公司報(bào)片微波集成電路（MMIC）在單粒子燒毀（SEB）和電離總劑有了太空應(yīng)用的抗輻射性能，抗電離總劑量輻射能力達(dá)到 1 M設(shè)備中，采用了 GaN 技術(shù)的衛(wèi)星將進(jìn)入地球軌道運(yùn)行。201最大的 SiC 和 GaN 功率和射頻器件生產(chǎn)廠的美國 Wolfspeed頻功率晶體管已完成可靠性測試（試驗(yàn)包括累積輻射劑量超過測試，符合等同美國軍用標(biāo)準(zhǔn) S 級(jí)和 K 級(jí)要求的美國宇航局

東南大學(xué)博士畢業(yè)論文置、俘獲面積和相關(guān)俘獲動(dòng)力學(xué)過程等具體參數(shù)和過程，而這化可靠性模型的前提條件。對(duì)于該器件高壓、高功率條件下的可靠性物理機(jī)制還清晰，缺乏直接的試驗(yàn)依據(jù)。目前在 GaN材料結(jié)構(gòu)生長、工藝制備方面的研究過程中，研究人員依然更輸出功率指標(biāo)，而在材料、器件結(jié)構(gòu)工藝對(duì)器件可靠性影響方深入的工作要做。
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本文編號(hào)：2872067