基于pGaN栅极的HEMT器件可靠性原理分析

瞬态温度分布

在高可靠、高效、高频的电力电子器件中，基于pGaN栅极的HEMT器件的可靠性是业界深切关注的焦点。 例如，在pGaN/AlGaN/GaN外延材料的生长中，存在材料缺陷和掺杂。 在器件的界面处，可能存在深能级界面态、深能级界面态以及影响载流子的各类缺陷。 捕获和释放会导致阈值电压偏移。 阈值电压的不稳定会导致导通电阻增大、影响结温等，从而引起器件故障。

关于接口状态的相关知识，可以阅读本公众号的文章《接口状态》。 第一性原理分析证明，近导带界面态主要来自于镓悬键与其相邻原子之间的强相互作用。 降低界面态密度已成为GaN基器件研究和应用的重要任务。

以器件为例，从阈值电压漂移的角度，简单讨论阈值电压漂移与可靠性的关系。

由于SiC/SiO2界面的特性，碳化硅的阈值电压漂移比硅基的阈值电压漂移更严重。 SiC - 长期高温应用被认为是不稳定的主要障碍之一。 长期工作时，高温下Vth正移引起的通态电阻（Ron）逐渐增大，这会降低碳化硅的效率，降低可靠性。

电荷俘获机制及Vth漂移的影响，如图所示，四种正电荷：移动电荷（m）、固定电荷（F）、俘获电荷（T）和界面态电荷（I），电荷运行过程中产生的trap 效果如下。

驱动和高温条件下较大的正Vth位移可归因于两个方面。

(1)电子直接隧道进入SiC/SiO2界面附近的氧化物陷阱；

(2) 在薄栅极氧化层（例如，小于 50 nm）的情况下， – 隧道电流将额外的电子注入二氧化硅层，从而导致进一步的 Vth 偏移。

(3) 在高温和栅极偏置应力条件下，Vth 的显着变化可归因于额外氧化物陷阱的激活。

器件中的栅极介电故障部分归因于栅极氧化层的厚度。 碳化硅的阈值电压在长期施加高栅极电压后经常会发生变化，例如横向施加较高的电场和雪崩传导下。 通道加热。 因此，碳化硅栅极氧化物的可靠性也很关键。

与此同时，半导体制造商不断采取措施减少栅极氧化物的缺陷。 例如，在结构中引入高掺杂的n型沟道层可以最大限度地减少器件受到应力时阈值电压的变化。 此外，如果栅极氧化物应力保持在可容忍的水平内，栅极氧化物技术可以在高温操作下实现长期可靠性。

此外，界面态高度集中会导致栅极漏电增大、阈值电压漂移增大等问题，导致输出功率降低，器件可靠性降低。

综上所述，阈值电压漂移与材料缺陷和掺杂、界面态、栅极氧化层、栅极工艺以及封装下的综合热应力有关。 因此，要提高其可靠性，需要在热电耦合、电应力耦合、热应力耦合等方面不断取得协同进展，包括材料、设计、制造、器件、产品、应用等方面，实现更好的性能和更高的可靠性。 、系统等性能和系统成本更加优化。 结尾

（注：文字仅限于技术交流，旨在推动行业进步。图片来自文献及学术会议报告。）