基于电-热-力-陷阱完全耦合建模的AlGaN/GaN HEMT电学性能退化研究

AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) based on the wide-bandgap semiconductor has advantages of high breakdown voltage, high energy density, fast switching speed, high radiation tolerance, high temperature tolerance, etc. It is anticipated to be widely applied in military and civilian areas. However, the electrical degradation has seriously limited the practical application of the device. In this project, we will perform the following investigations relevant to the electrical degradation: An electrical-thermal-mechanical-traps fully coupling model capable of completely describing the device physics will be established; Combined with correspondent characteristics, mechanism of the electrical degradation will be demonstrated by using the model for quantitative analysis of the crystal fracture induced by the stress, hot electron effects, and dielectric breakdown induced by the gate current; The device structure capable of suppressing the electrical degradation will be investigated using the model from the point of view of the gate shape, gate metal, dielectric properties of the passivation, intrinsic stress of the passivation, and the device geometry considered to reduce the electric field as well as stress. Finally, correspondent device will be fabricated. This research can complete the AlGaN/GaN HEMT physics and provide guidelines for suppressing the electrical degradation.

基于宽禁带半导体材料的高电子迁移率晶体管AlGaN/GaN HEMT具有击穿电压高、功率密度大、开关速度快、抗辐射能力强及耐高温等优点，它在军、民众多领域内有着广泛的应用前景。但是，电学性能退化问题严重制约了该器件被大规模实际应用，本项目拟对此问题进行深入研究：建立一个能完整描述器件物理行为的电-热-力-陷阱耦合的模型；基于所建立的模型对应力引起晶体破裂、热电子效应、栅极电流引起介质击穿三个方面作定量分析，并结合相关表征揭示电学性能退化机理；考虑栅极形状、栅极金属、钝化层介电常数、钝化层内在应力、几何尺寸五个因素，从减小电场和应力的角度出发，利用建立的模型研究能抑制电学性能退化的器件结构，并最终制备出该器件。本项目的研究工作将完善AlGaN/GaN HEMT器件物理理论，并为抑制其电学性能退化提供理论参考。

宽禁带半导体GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其诸多优良特性可满足新一代电子装备对器件更大功率、更高频率、更小体积、更适合恶劣环境等要求。它的发展可带动能源、汽车、交通、环保、通信等相关产业的发展，创造经济发展新的生长点，也会满足国家在空天、军事领域对电子器件的特殊需求，对国家的节能减排、国防事业发展、提高国际地位都具有重要意义。GaN HEMTs在军民众多领域内有巨大的应用潜力和可观的市场。但是，目前该器件电学性能退化问题严重制约其被大规模实际应用，究其原因，主要是器件物理理论还不完善，导致了对电学性能退化的机理还未阐述清楚，进而未能提出有效的方法去抑制甚至解决电学性能退化的问题。.本项目的研究内容是要对GaN HEMTs建立起一个电-热-力-陷阱完全耦合的模型，使用该模型研究器件的栅极电流、自加热效应、应力效应，进一步研究器件电学性能退化的机制及抑制电学性能退化的器件结构。本项目已经建立起了相关模型，并使用该模型数值仿真了器件的栅极电流和在三维情况下器件的自加热效应，仿真和实验的结果符合的较好，验证了模型的准确性。项目的研究阐述了栅极电流的机制，提出了优化的热管理方案，阐述了器件在电-热应力下电学性能退化的机理，从栅极金属、栅极形状、势垒层结构、势垒层介电常数等方面数值仿真优化器件结构以抑制电学性能退化。对压力效应的研究中，数值仿真了AlGaN/GaN晶片在受力弯曲的情况下，异质结界面2DEG密度的变化，阐述了器件的自加热、栅极金属、表面态、GaN体陷阱对器件电流随压力变化的影响。提出了一种Al组分线性变化的AlGaN势垒层新型结构，数值仿真发现基于该结构的AlGaN/GaN器件电容会随所受到的压力而变化，这些研究对探讨压力效应应用于压力传感器方面具有重要的科学意义。本项目进行的研究期望能推动GaN HEMTs走向成熟，使其能被大规模实际应用，同时，扩大GaN HEMTs的应用领域。.