晶格匹配InAlN/GaN HEMT肖特基栅极泄漏电流的退化机制研究

Thanks to their excellent material properties, GaN HEMTs can output much higher power density than conventional Si LD-MOSFETs and GaAS MESFETs , which have important applications in the wireless communication and radar systems. Unfortunately, when they are operated in a long-term large signal mode, the gate leakage current suffers from a significant degradation behavior, giving rise to undesirable low-frequency noise and additional power loss. So, in this project we will fabricate circular Schottky contact structure on lattice-matched InAlN/GaN HEMTs epi-wafer, which is of the same electrical properties with the Schottky gate structure of a standard device, and will (1) identify the validity of the inverse piezoelectric effect for gate leakage current degradation by step-stress measurements; (2) and will monitor the “hot spots” (namely current failure points ) for their occurrence and evolution processes by EMMI, and measure the underlying surface structure and conductance property by C-AFM, indicating that the generation of additional structure defects are directly related with the current degradation; (3) will obtain a series of defective samples by high various methods such as revere bias, high temperature and current stresses, studying the current transport mechanisms before and after degradation. Finally，we will propose a phenomenological model for the gate leakage current degradation.

凭借优越的材料特性，GaN基HEMTs能输出远大于常规Si LD-MOSFETs和GaAs MESFETs的功率密度，在无线通信和雷达系统中具有重要的应用价值。然而，在长时间大信号工作模式下，GaN HEMTs的肖特基栅极却遭受严重的漏电流退化行为，产生不必要的低频噪音和额外功率损耗。鉴于此，本项目拟在晶格匹配InAlN/GaN外延片上制备与标准器件栅极电学性能相同的肖特基结构，（1）利用步进应力法测试和分析漏电流的退化行为，直接验证传统逆压电模型的正确性；（2）利用EMMI监测退化过程中“热点”(即电流失效点)的产生和演化过程，使用C-AFM分析退化前后“热点”处材料表面结构和电导特性的变化，直接验证新结构缺陷的产生是否为电流退化的直接原因；（3）使用高压、高温和电流应力法制备结构相同而缺陷密度不同的样品，分析缺陷对漏电流输运机制的影响。最终，我们将提出一个唯象栅极漏电流退化模型。

当器件长时间工作在大信号模式下时，势垒层的逆压电效应很容易诱发新的结构缺陷，增大栅极反向泄漏电流，导致器件性能发生退化;同时，为了实现超高频工作，需要减薄AlGaN势垒层和保持较高的2DEG密度，但简单地增大Al的组份时将导致晶格失配变大，发生压电应力弛豫。然而，晶格匹配 InAlN 器件却离实用化仍有一段距离，因为它遭受更大的肖特基栅极反向泄漏电流，且在长时间大信号工作模式下，反向泄漏电流会发生明显的不可恢复的永久退化现象。本项目主要：1）设计和制备了圆形Pt/Au基肖特基接触电极和环形Ti/Al/Ni/Au欧姆接触电;研究了快速热退火条件对欧姆接触的影响，优化退火温度形成良好的欧姆接触特性;制备了用于探 针测试的金属层，获得可靠的探针和电极之间的电学接触; 2）利用步进偏压应力法表征了肖特基接触反向泄漏电流的退化过程，利用EMMI技术拍摄了器件表面与漏电流相关的“热点”的产生、分布和演化图;采用图像处理软件分析了“热点”的分布、位置、尺寸、亮度等物理特征参数;采用 TCAD 软件模拟了InAlN/GaN 肖特基二极管的电场和电流分布的关系; 3）利用 C-AFM 等技术测试了退化前后“热点”处材料的表面形貌和电导的变化，验证了“热点”的强度分布是否与电学缺陷的形成有关;对器件施加一个大于临界电压的反向偏压应力，在退化过程的不同时刻测试器件的I-V和 C-V 特性，分析了材料(或器件)性能退化程度或结构缺陷增多对肖特基接触反向泄漏电流输运机制的影响;最终，建立了漏电流退化的物理模型。