GaN HEMT中电致发光与器件性能关系研究

GaN HEMT器件具有输出功率密度大、工作电压高、耐高温、抗辐射等特点，将逐渐替代GaAs器件，成为新一代固态微波功率器件的主导型器件，目前制约GaN HEMT微波性能的电流崩塌等现象通过材料和器件结构设计、材料晶体质量的提高等得到了较好解决，器件微波性能逐步得到提高并向其理论极限靠拢，但由于多应用于微波大功率领域，器件经常工作在很高的源漏偏置电压下，高电场下产生的热电子会使HEMT特性退化。GaN HEMT的退化导致的可靠性问题一直阻碍着GaN HEMT的发展和广泛应用。本项目拟通过深入分析GaN HEMT 器件EL谱起源，同时研究材料结构与器件电致发光的关系、器件结构与电致发光的关系、器件电流崩塌与电致发光的关系以及电致发光对器件可靠性的影响，不仅为器件的可靠性筛选提供一种方法，同时从材料和器件结构设计、材料生长和器件研制工艺等方面为提高器件的微波性能和可靠性提供理论指导。

GaN作为第三代宽禁带半导体材料的代表，具有高电子饱和漂移速度、高热导率以及高击穿电场等特点，是发展高温、高压、微波大功率器件的优选材料，在雷达、通信、航空、航天等领域具有重要的应用价值。历经二十年的发展，GaN微波功率器件技术逐渐走向成熟，实用化进程不断推进。由于GaN材料本身的特点，器件常常工作在很高的偏置电压下，高场下器件性能退化引起的可靠性问题成为阻碍GaN功率器件大规模应用的主要因素之一。本项目通过研究AlGaN/GaN HEMT器件在高场工作条件下两端和三端发光现象，揭示了器件在不同工作状态下的发光机理，建立了高场下热电子跃迁和缺陷复合发光模型，提出了一种高场下集电、光、热一体的器件性能表征方法，为深入器件可靠性机理研究开辟了新的途径，同时也基于电致发光方法为GaN HEMT材料结构和器件结构优化提供理论指导。.（1）明确了AlGaN/GaN HEMT 电致发光的起源..当GaN HEMT器件中电压或电场占主导时（关态），电致发光（EL）以蓝色为主，主要由深能级缺陷相关的载流子碰撞离化引起，而当器件电流占主导时（开态），EL以红色为主，主要归因于热电子跃迁发光。发光光谱测试结果表明GaN HEMT器件的发光峰位于428nm和603nm附近,分别对应于上述两种机制。对GaN HEMT器件进行模拟发现，在栅-漏两端加高压时，电子和空穴分别分布于栅-源和栅-漏两侧，从而排除了带-带间载流子复合发光机理。.（2）建立了电致发光与材料结构和器件结构之间的关系..发现了GaN HEMT异质结构中高场下发光现象与沟道电子状态的关系，采用AlGaN背势垒有效提高沟道阱的量子限制作用，增大了电子基态与激发态能级差，大大减弱器件发光现象。在器件结构设计中，引入源场板降低峰值电场，实现电场分布平坦化，导致HEMT器件的发光区变宽，从而为器件结构的优化设计提供了实验依据。.（3）掌握利用电致发光进行器件可靠性设计的方法.通过GaN HEMT器件电致发光强度及发光位置的分析，建立了监控材料缺陷和器件工艺一致性的有效手段；揭示了EL临界电压与器件可靠性之间的关系；研究分析了不同偏压条件下电致发光光谱结构，建立了热电子温度、缺陷能级与器件性能退化之间的关系；提出基于能带裁剪设计新型异质结构以降低热声子寿命，为可靠性设计开辟了新思路。