【摘 要】
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随着5G通讯及轻型紧凑类消费电子产品市场的迅速发展,氮化镓（Ga N）功率器件凭借高功率密度、高开关速度响应等优势,在半导体器件中展现出优越性。目前,功率p-Ga N HEMT器件已经步入商业化阶段,但是一些潜在的可靠性问题依然是限制其在市场中进一步推广的障碍。不同于Si/Si C器件,Ga N器件由于其特殊的器件结构和工作原理,器件本身没有雪崩或者具有很低的雪崩能力,当面临非钳位感性负载开关（U
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随着5G通讯及轻型紧凑类消费电子产品市场的迅速发展,氮化镓（Ga N）功率器件凭借高功率密度、高开关速度响应等优势,在半导体器件中展现出优越性。目前,功率p-Ga N HEMT器件已经步入商业化阶段,但是一些潜在的可靠性问题依然是限制其在市场中进一步推广的障碍。不同于Si/Si C器件,Ga N器件由于其特殊的器件结构和工作原理,器件本身没有雪崩或者具有很低的雪崩能力,当面临非钳位感性负载开关（UIS）带来的高电流高电压冲击时,器件的电学参数会发生严重退化,甚至会出现烧毁失效。因此,对p-Ga N HEMT器件在UIS应力下的可靠性进行全面研究意义重大。本文基于UIS测试平台,并借助计算机辅助设计（TCAD）仿真和剖片失效定位技术等,研究了p-Ga N HEMT器件单次UIS耐受极限以及重复UIS应力下的电学参数退化机理。研究结果表明,器件关断过程中同时存在高压大电流,致使器件瞬时承受较大的冲击能量,激增的能量引起了局部晶格温度超过极限,导致器件漏端损坏;此外,论文对器件阈值、导通电阻、泄露电流等电学参数的退化进行了研究,发现重复UIS应力增大了器件沿沟道方向的电场强度,增强了栅极区域附近的陷阱效应,导致了该区域发生电子俘获效应,使栅极区域出现损伤。同时,基于TCAD仿真结果和变频电导法测试结果,定量表征了上述损伤界面的缺陷密度。基于上述失效机理的研究,提出了带有p型埋层的p-Ga N HEMT器件的新结构。相对于原结构,在相同仿真条件下,新型结构可以将器件UIS应力下的峰值电压降低41%,碰撞电离强度减小39%,最高晶格温度降低60%,显著提升了器件UIS耐受能力。
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