无损动态拉曼光谱技术在GaN器件可靠性中的应用研究

GaN HEMTs display excellent RF performance because they can be biased under high voltage. However, the device reliability restricts their extensive use, which is caused by their long-time operation under high bias. Designing reliability experiment and exploring effective measurement and characterization approach of relevant parameters, come out to be a challenge. This project chooses accelerated voltage step-stress experiment as an entry point for GaN device reliability research, and studies critical voltage from different points of view. In order to monitor real-time micro-process in device step stress degeneration, and effectively characterize crystal deformation and device reliability, non-destructive dynamic Raman spectroscopy technology and accelerated voltage step-stress experiment are uniquely combined. Micro-mechanism analysis of high electrical field induced crystal damage, provides an intuitive means to analyze inverse piezoelectric effect, device failure mechanism and other reliability issues. The research will lay the foundation for the reliability reinforcement and improve reliability of GaN materials and devices. The implementation of this project will promote the theoretical research and product production to further development, speed up the application of domestic GaN-based devices and circuits, and meet the demand of the national military and civilian communication.

GaN HEMT器件由于能够承受高的偏置电压，展现出出色的射频性能，但长期工作在高电压下而产生的可靠性问题限制了它们的广泛使用。如何设计可靠性试验并探寻相关参量的有效测量及表征手段，成为一个挑战。本项目选择加速电压步进应力试验作为研究GaN HEMT可靠性问题的切入点，多角度研究器件的临界退化电压；为了实时监控器件步进应力退化中的微观过程，有效表征晶体形变与器件可靠性的关系，将无损动态拉曼光谱测试技术与加速电压步进应力试验巧妙结合，从微观机制分析高场高压引发的晶体损伤，为逆极化效应等可靠性机理和器件失效机理分析提供一个直观的研究手段，可为可靠性加固奠定基础，从新角度改善AlGaN/GaN HEMTs材料及器件的可靠性问题。本项目的实施将推动GaN基材料及器件可靠性的理论研究与产品应用进一步向前发展，加快国内GaN基器件电路实用化的进程，以满足国家军事和民用通讯等领域的重大需求。

GaN HEMT器件由于能够承受高的偏置电压，展现出出色的射频性能，但长期工作在高电压下而产生的可靠性问题限制了它们的广泛使用。如何设计可靠性试验并探寻相关参量的有效测量及表征手段，成为一个挑战。本项目选择加速电压步进应力试验作为研究GaN HEMT可靠性问题的切入点，多角度研究器件的临界退化电压；为了实时监控器件步进应力退化中的微观过程，有效表征晶体形变与器件可靠性的关系，将无损动态拉曼光谱测试技术与加速电压步进应力试验巧妙结合，从微观机制分析高场高压引发的晶体损伤，为逆极化效应等可靠性机理和器件失效机理分析提供一个直观的研究手段，为可靠性加固奠定基础，从新角度改善AlGaN/GaN HEMTs材料及器件的可靠性问题。本研究探讨了高场逆压电效应的动态拉曼表征试验的试验方案，完成了多种不同偏置组合的步进应力试验。对AlGaN/GaN HEMTs器件进行了拉曼光谱测试、直流电参数测试、提参建模等测试，对数据进行了处理、比较与归纳总结，寻找拉曼光谱频移与中临界退化电压相关可靠性参数的对应关系，作出了其相关性关系图。此外，利用Atlas软件对器件的电场等相关量进行了辅助仿真，与AlGaN背势垒加固作用结合，对高场下逆压电效应的应力分析，用拉曼光谱频移与其关系进行了相关的机理分析。在此基础上，对加速步进应力试验及器件可靠性相关的加固作用机理进行了研究，对其失效因素进行了分析。经分析后得出，有无背势垒结构的GaN HEMT器件在可靠性方面有很大的差异，主要分为电学特性退化差异及物理损伤方面差异等，背势垒结构的器件比无背势垒结构的器件表现出更好的高场可靠性。最后，对可能影响器件高场下可靠性的因素进行分析后，推测出了其损伤位置。本项目的实施将推动GaN基材料及器件可靠性的理论研究与产品应用进一步向前发展，加快国内GaN基器件电路实用化的进程，以满足国家军事和民用通讯等领域的重大需求。