F注入增强型AlGaN/GaN HEMT器件在电、热应力下的退化机理研究

针对典型的采用F离子注入技术实现的增强型AlGaN/GaN HEMT器件，深入研究其在电、热应力下的退化机理。对于电应力，研究器件在开态、关态直流应力以及脉冲应力下的退化。重点研究电应力下势垒层中F离子的稳定性以及不同能级电子陷阱的产生规律，结合器件电学参数的退化，找出F注入增强型器件的主要退化机理。并对势垒层内电子陷阱的物理特性展开深入研究，为建立器件寿命预测模型提供信息。研究温度对增强型HEMT器件性能的影响，重点研究高温下F离子漂移与器件退化之间的相关性。最后针对不同应力下增强型HEMT器件的退化，分析失效的其物理过程，从诸多因素中找出与失效机理相关的关键失效敏感因素，并建立相应的寿命预测模型。本项目针对典型F注入增强型HEMT器件在电、热应力下的可靠性问题开展深入的研究，为我国增强型HEMT器件的发展提供基本理论和技术支撑。

由于具有击穿电场高、禁带宽度大、耐高温、抗辐照等特点，AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在下一代微波功率器件及高压开关器件领域有广泛的应用前景。通常，AlGaN/GaN HEMT器件沟道处存在大量的二维电子气，处于导通状态，表现为耗尽型。在实际应用中，增强型HEMT器件同样非常重要，特别是在功率开关以及数字逻辑电路等领域，有利于减小成本和简化电路形式。目前，氟离子注入是一种重要的增强型HEMT器件实现方法。尽管关于它的研究已经较多，但是其可靠性问题仍是一个亟待研究的重要问题。. 本项目制备了F注入增强型AlGaN/GaN HEMT器件。在此基础上，深入研究了其电、热可靠性问题。研究表明，在栅过载应力下，F注入增强型HEMT器件的阈值电压发生明显退化，其原因不是势垒层内的原生陷阱，也不是F离子注入过程在势垒层内产生的新陷阱，而是沟道热电子注入到势垒层过程中与带负电的F离子碰撞使其失去电子呈现电中性造成的。在栅过载应力过程中，势垒层内不会产生新的电子陷阱。而在开态、关态直流应力条件下，F注入增强型HEMT器件的阈值电压同样出现负向漂移，其主要原因不是沟道热电子的注入，而是高场应力下势垒层内的F离子向漏极漂移产生的。且开态情况下的退化量小于关态下器件的退化。脉冲应力下，由于存在恢复过程，所以其退化量小于直流应力下的退化。. 对F注入增强型HEMT器件在热应力下的研究发现：采用合适的热应力，虽然使得器件的阈值电压负漂，但是跨导等特性变好，有利于改善器件的性能。其可能原因是高温下势垒层内的F离子发生漂移。研究还发现，在一定的热应力时间后器件性能稳定，但是过高的温度则会对器件产生破坏，不利于改善器件性能。. 本项目通过研究不同应力环境下，F注入增强型HEMT器件主要电学性能的退化，认为阈值电压的漂移是其最受影响的参数，因此选择阈值电压做为其寿命预测标准。本项目针对典型栅过载、开态及关态应力下器件参数的退化，通过数据拟合建立了相关的寿命预测模型，为F注入增强型AlGaN/GaN HEMT器件的寿命评估提供指导。