GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)機理與實驗研究.pdf

1、AlGaN/GaN HEMT由于具有擊穿電壓高、電子漂移速度快和電子濃度大等特點，已被越來越多地應(yīng)用于高頻及大功率領(lǐng)域。但是，受電流崩塌和自熱等效應(yīng)影響，其器件性能被大大地降低。其中，電流崩塌效應(yīng)是減小器件輸出功率的主要因素。
　　基于GaN HEMT器件物理和實驗分析測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電子遷移率與二維電子氣濃度有關(guān)，并提出了一種 GaN電流崩塌效應(yīng)的新物理模型。采用迭代法求解Schrodinger-Poisson方程，當(dāng)AlGaN勢

2、壘層摻雜濃度為1×1018cm-3時，二維電子氣濃度最高可達1×1012cm-2，并且二維電子氣薄層厚度隨著勢壘層厚度的增加從15nm增加到40nm。
　　在大漏極電壓條件下，溝道電子易于注入到 GaN緩沖層中，并被緩沖層中的陷阱所俘獲，耗盡二維電子氣，從而導(dǎo)致電流崩塌效應(yīng)。該模型描述了電流崩塌效應(yīng)與緩沖層中陷阱的相互關(guān)系，并獲得了電流崩塌前后遷移率與二維電子氣濃度乘積的歸一化值q′V.095 GS。采用W=300μm，L=4μm

3、，VT＝-6.5V，二維電子氣濃度2.1×1013 cm-2，電子遷移率654 cm2/V·s的器件驗證了該模型。
　　在GaN HEMT漏極脈沖電流崩塌測試中，發(fā)現(xiàn)脈沖條件下漏極電流比直流時減小大約50％；脈沖信號頻率對電流崩塌效應(yīng)影響較?。划?dāng)柵壓較小時，隨著脈沖寬度的改變漏極電流按I0(δ+γT/16)的規(guī)律變化。
　　在GaN HEMT柵極脈沖電流崩塌測試中，觀察到柵脈沖條件下漏極電流比直流情況下減小了47%；隨著信號

4、頻率的改變，漏極電流按μnCoxW[m+(n+k?)VGS+(n+k?)VGS2](VGS-Vth)2/L的規(guī)律變化；脈沖信號寬度對電流崩塌影響較小。
　　脈沖條件下，GaN HEMT電流崩塌效應(yīng)主要由柵漏之間表面態(tài)充放電引起。測量柵漏之間的準(zhǔn)靜態(tài)電容，當(dāng)漏極電壓為0V時，柵極電壓從-5V增加到0V左右，柵漏之間的表面電容出現(xiàn)高達1.5×10-10C的尖峰電容。
　　采用應(yīng)力測試方法，獲得了AlGaN/GaN HEMT漏極電

5、流隨時間的變化。實驗結(jié)果指出，應(yīng)力導(dǎo)致漏極電流最大減小56.2%；不同電壓應(yīng)力條件下，只要所加時間足夠長和電壓足夠大，相同柵壓的電流崩塌程度都近似相等；漏極電流的恢復(fù)時間與大小分別為34.5+jVGS與j(VGS-VT)(2-dt)。
　　基于實驗結(jié)果的理論分析認為，GaN HEMT的GaN緩沖層陷阱以及柵漏之間表面態(tài)都是形成電流崩塌的主要原因之一。減小電流崩塌效應(yīng)的方法，可采用在器件表面增加鈍化層以減小柵極的泄漏電流和表面態(tài)數(shù)量