GaN基HEMT器件陷阱及缺陷表征分析方法及相关退化机理研究

GaN-based HEMTs have become the next generation key devices in fields of defense, communications and others because of their excellence performance in high frequency and high power. However, their reliability and stability in applications are the major obstacles. And among these, traps and defects in active area introduced by heterostructure are the key problems. Facing to the limitation and minor of regular techniques, this project intends to establish a peak spectral characterization analysis method and clear physical relations, which can determine the different types of traps and defects concentration in device active area accurately and conveniently on the basis of mastered RC network analysis technology, by extracting time constant of major parameters with traps and defects and combining the theory of peak curve and deconvolution methods, and finally improve the existed technology.

GaN基HEMT器件在高频、大功率应用方面性能卓越，成为国防、通信等领域亟待期盼的新一代关键元件。然而，器件应用可靠性和稳定性问题是走向成熟的主要障碍，其中异质结构引入的有源区陷阱和缺陷是制约可靠性的关键问题。本项目拟针对陷阱和缺陷表征方法和技术上存在的局限和不足，以掌握的RC网络分析技术为基础，通过提取器件主要参数与陷阱和缺陷相关联的时间常数，应用峰值曲线反卷积求解理论和技术，探索建立一种“峰值谱”形式表征分析方法，并建立明晰的内在物理关系，实现准确、便捷确定陷阱和缺陷类型和浓度目的。

GaN基HEMT器件在高频、大功率应用方面性能卓越，成为国防、通信等领域亟待期盼的新一代关键元件。然而，由于有源区或生长材料的异质结构，高电场协助下的界面缺陷和陷阱效应，加剧了有源区材料损伤，成为器件高频大功率应用下关键电学参数退化的重要因素。陷阱效应相关的可靠性问题限制了GaN基HEMT器件的广泛应用。如何表征陷阱浓度、位置以及类型是目前陷阱研究亟需解决的问题，也是成为GaN基HEMT器件可靠性研究的热点问题。.本项目针对陷阱和缺陷表征方法和技术上存在的局限和不足，以掌握的RC网络分析技术为基础，通过有效避免自热效应的影响，提取器件漏极电流与陷阱和缺陷相关联的时间常数，应用峰值曲线反卷积求解理论和技术，探索建立一种“峰值谱”形式表征分析方法，并建立了明晰的内在物理关系。通过进一步改进算法，实现时间常数的精准提取，达到了准确、便捷确定陷阱和缺陷类型和浓度目的。除此之外，我们将该方法应用于GaN基HEMT器件陷阱俘获和释放电子过程的分析。测量结果显示该方法能有效确定陷阱位置、提取陷阱能级，测量结果与文献报道结果吻合，证明了该方法的准确性。和传统方法相比，该方法具有测量速度快、精度高、定位准确等特点，不仅能应用于GaN基HEMT器件测量还能推广到其他半导体器件及材料陷阱分析，将为半导体器件陷阱测量提供一种有效的手段，为半导体器件可靠性设计、应用可靠性提高提供重要数据支撑。通过1年的探索研究，研究结果在国际本领域顶级期刊IEEE Transaction on Electron Devices，以及Microelectronic Reliability上。