亚太经合组织gydF4y2Ba 有源和无源电子元件gydF4y2Ba 1563 - 5031gydF4y2Ba 0882-7516gydF4y2Ba Hindawi出版公司gydF4y2Ba 493239gydF4y2Ba 10.1155 / 2012/493239gydF4y2Ba 493239gydF4y2Ba 研究文章gydF4y2Ba 高正向栅偏置和电流的非常鲁棒的AlGaN/GaN HEMT技术gydF4y2Ba 克里斯琴森gydF4y2Ba 布拉德利博士。gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba 海勒gydF4y2Ba 埃里克R。gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba CoutugydF4y2Ba 罗纳德A。gydF4y2Ba 年少者。gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba VeturygydF4y2Ba 室利罗摩克里希纳gydF4y2Ba 3.gydF4y2Ba 非洲酪脂树gydF4y2Ba 杰弗里B。gydF4y2Ba 3.gydF4y2Ba 济gydF4y2Ba Jung-HuigydF4y2Ba 1gydF4y2Ba 电气与计算机工程系gydF4y2Ba 空军理工学院gydF4y2Ba 赖特·帕特森空军基地gydF4y2Ba 哦45433gydF4y2Ba 美国gydF4y2Ba afit.edugydF4y2Ba 2gydF4y2Ba 材料和制造局gydF4y2Ba 空军研究实验室gydF4y2Ba 赖特·帕特森空军基地gydF4y2Ba 哦45433gydF4y2Ba 美国gydF4y2Ba 3.gydF4y2Ba 国防和电力事业部gydF4y2Ba RF Micro Devices, Inc。gydF4y2Ba 夏洛特gydF4y2Ba 数控28269gydF4y2Ba 美国gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 28gydF4y2Ba 08gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 21gydF4y2Ba 03gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 10gydF4y2Ba 07gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 28gydF4y2Ba 07gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 2012gydF4y2Ba 版权所有©2012 Bradley D. Christiansen等。gydF4y2Ba 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放存取的文章，它允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制，只要原始作品被适当地引用。gydF4y2Ba

迄今为止的研究报告表明，GaN hemt受到正栅偏置应力的影响，存在不同程度的退化。我们报告一个非常健壮的氮化镓HEMT技术survived-contrary传统wisdom-high向前门偏见(+ 6 V)和电流(> 1.8 A /毫米)> 17.5小时门二极管特性展示只有轻微的变化,小的减少最大的漏极电流,只有一个0.1 V积极阈值电压转变,而且,值得注意的是,持续击穿电压超过200v。gydF4y2Ba

 1.介绍gydF4y2Ba

最近有报道称，高负栅偏压导致GaN HEMT的栅退化。这种退化机制的特征是栅漏电流增加[gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba 3.gydF4y2Ba］.gydF4y2Ba

其他报告指出，正向栅极电流限制了GaN hemt的生存时间，特别是在RF操作期间[gydF4y2Ba 4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba 5gydF4y2Ba］.氮化镓HEMTs (gydF4y2Ba lgydF4y2Ba ggydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba 0.7gydF4y2Ba μgydF4y2Ba米,gydF4y2Ba WgydF4y2Ba ggydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba ×gydF4y2Ba 100gydF4y2Ba μgydF4y2Ba米)(gydF4y2Ba 6gydF4y2Ba]在烧坏前达到约400 mA/mm正向栅电流。[的半绝缘掺铁GaNgydF4y2Ba 6gydF4y2Ba]在蓝宝石衬底上用MOCVD生长。gydF4y2Ba

参考文献[gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba研究了高正栅偏置(高达+ 6v)对具有栅集成场板的GaN hemt的影响，gydF4y2Ba lgydF4y2Ba ggydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba 0.25gydF4y2Ba μgydF4y2Bam、 及gydF4y2Ba WgydF4y2Ba ggydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba ×gydF4y2Ba 25gydF4y2Ba μgydF4y2Bam、 步进gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 从+0.5开始 V至+6 0.5中的V V步，每步30分钟，减少gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba （gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 在归一化栅极电流为1 mA/mm时)，360分钟后观察到，伴随约10gydF4y2Ba4gydF4y2Ba增加栅极漏电流和强欧姆栅极行为。作者的结论是，大的正向栅电流和高温降低了肖特基触点。尽管减少了gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba , (gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba的结果表明，漏极电阻和源极电阻以及最大漏极电流几乎没有下降。gydF4y2Ba

我们展示了在极高的栅极电流密度下对GaN HEMT施加应力的结果，但时间更长，结果更为积极。尽管存在极高的偏压，我们测试的器件仍能在超过电流密度的情况下存活[gydF4y2Ba 6gydF4y2Ba]导电性较差，使用的材料较少gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba 比在[gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba]值得注意的是，我们所测试的器件经受住了与传统观点相反的应力，器件漏电流和电压能力几乎没有下降。gydF4y2Ba

 2.实验gydF4y2Ba

我们强调了四个名义上相同的AlGaN/GaN hemt。所有四种器件都具有相同的结构，由半绝缘SiC衬底组成[gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba), 0.5gydF4y2Ba μgydF4y2Ba带有门集成场板的M长度光学定义门[gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba]，以及源连接的场板[gydF4y2Ba 9gydF4y2Ba］.门宽2 × 50gydF4y2Ba μgydF4y2Ba栅极包含镍肖特基势垒和用于低栅极电阻的厚金覆盖层。利用OMVPE生长高阻氮化镓缓冲区gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba］.AlGaN势垒未掺杂[gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba]用PECVD生长的SiN进行钝化处理[gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba］.栅极-漏极间隙大于栅极-源极间隙[gydF4y2Ba 8gydF4y2Ba］.gydF4y2Ba

该装置在空气中的Peltier热基板上进行了测试。使用的电源是Agilent型号E5280A高功率源/监控单元(SMU)模块(用于漏极)和E5281A中功率SMU模块(用于门极)，型号E5273A 2通道SMU。gydF4y2Ba

我们强调设备定义了一个安全的操作区域。一个最初测试的部分(未显示)被强调gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≈gydF4y2Ba 260gydF4y2Ba 在基板温度为gydF4y2Ba TgydF4y2Ba 英国石油公司gydF4y2Ba = 35°C，无明显降解，为本研究提供了参考和动力。在此基础上，对门的鲁棒性进行了详细的研究。在这个详细的研究中，源极和漏极是用金属丝粘接的，栅极是用探针针接触的。以下顺序在gydF4y2Ba TgydF4y2Ba 英国石油公司gydF4y2Ba =45°C。电压扫描和传输曲线电压范围分为201线性，~35 ms 停留步数（~7秒总扫描时间）。gydF4y2Ba

用传递曲线描述(gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = −6. 五比一 V和gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 10v)在任何应力之前和每次应力扫描之后(步骤2-6)。gydF4y2Ba

扫描gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 从0开始三次 V至+2.5 V与gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 0 V。gydF4y2Ba

扫描gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 四次从0 V到+2.5 V withgydF4y2Ba VgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 0 V并保持gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 在+2.5 V下持续1分钟。gydF4y2Ba

扫描gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 从0 V到+3.0 V withgydF4y2Ba VgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 0 V并保持gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba at+3.0 持续1分钟。重复+0.5 V递增至gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +6.5 v (gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba = 1.89 /毫米)。gydF4y2Ba

扫描gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 从0开始 V至+6.0 V与gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 0 V并保持gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 在+6.0 V的环境下锻炼30分钟。gydF4y2Ba

分别以30分钟、150分钟、120分钟和>12小时的时间，重复步骤5gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +6.0 v (gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≈gydF4y2Ba 1.82gydF4y2Ba 一个/毫米)。最后一次按住后，设备处于小偏置状态(gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≈gydF4y2Ba 300gydF4y2Ba μgydF4y2Ba/毫米,gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 年代gydF4y2Ba ＝gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 0 V)，连续2天，原因是闸板接触针探头松动。gydF4y2Ba

总而言之，测试持续了17.5小时以上gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +6.0 V除了1分钟在gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = + 6.5 V。gydF4y2Ba

 3.结果与讨论gydF4y2Ba

以下描述了其中一个测试设备的结果。综上所述，该装置在以下条件下能够承受超过17.5小时的偏压应力：gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +6.0 V和gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba 正向栅电流≥1820 mA/mm(见图)gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba)，电流密度为>360 kA/cmgydF4y2Ba2gydF4y2Ba>功率10.9 W/mmgydF4y2Ba 通过门gydF4y2Ba．gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba DgydF4y2Ba 马克斯gydF4y2Ba （定义为在以下情况下的漏电流：gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = 1 V和gydF4y2Ba VgydF4y2Ba DgydF4y2Ba = 10 V)轻微退化，并在应力持续时间内达到饱和(见图)gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba)．经过210分钟的压力，在理想状态下的退化gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba -gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 在低电流下观察到（参见图左上插图gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba)，尽管注意到这种理想状态的退化并没有显著影响器件的电流处理能力和击穿电压能力。gydF4y2Ba

传输和跨导曲线（a）以及器件绝对值（b）中的相关栅极电流（在栅极应力事件之间的表征期间测量）。插图显示了相同数据集中感兴趣区域的细节。额外的栅极电流见上文（b）gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≈gydF4y2Ba -gydF4y2Ba 3.5gydF4y2Ba 在210分钟的压力(上曲线)后，在较长的压力时间(第二到上曲线)后看不到V。目前尚不清楚是否存在临时测试问题，或者这是否真的存在。gydF4y2Ba

应力期间的栅极二极管曲线。插图显示了与主图相同曲线的感兴趣区域的额外细节，并与主图共享相同的单位（即mA/mm和V）。在图中所示的应力时间收集数据gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba．黑色曲线表示初始值gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +2.5 V栅极应力。红色曲线表示在图中的红色曲线之前收集到的栅极电压应力上升幅度gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba.绿色曲线是在图中绿色曲线表示的总应力时间之后收集的栅极电压应力斜坡gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

我们测试的器件的正向栅极电流值远大于400 毫安/毫米（57 千卡/厘米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)报告于[gydF4y2Ba 6gydF4y2Ba]这摧毁了报告中测试的特定GaN HEMTs。本报告中测试的器件在高栅偏压（1.63）下的导电性也较低 A/mm，326 千卡/厘米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba在gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +5 V) compared to those of[与…gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba，其中正向栅电流为2 A/mm (800 kA/cm)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = + 5 V。我们注意到，这些比较是针对具有不同栅极长度、接触电阻和薄片电阻以及源-栅-漏隙的器件，尽管这一点严格考虑了肖特基栅极的稳健性，后者对这些差异不太敏感。gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba显示传输曲线和相关的栅极电流（绝对值）以及器件在整个应力过程中的跨导。黑线显示步骤1（初始）和步骤2的最后一次重复；红线显示步骤3的最后一次重复和步骤4的结果；最后，绿线显示步骤5-6。栅极电流的初始轻微改善（可能是陷阱或老化行为）让位给降解。传输曲线显示出一种降解趋势，具有gydF4y2Ba 饱和gydF4y2Ba显然在前30分钟的保持时间之后，很像短暂的烧伤效应。两个独立的原因——导致短期的快速退化和长期的缓慢退化——似乎是暴露在偏倚中观察到的电变化的原因。门极电流以一种不同的方式增加，在最初几小时的应力作用后，变化率降低，可能导致饱和。在测试电流密度下，漏电流几乎没有衰减，与预应力相比减少了6.1%gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba DgydF4y2Ba 马克斯gydF4y2Ba 为787ma /mmgydF4y2Ba 我gydF4y2Ba DgydF4y2Ba 马克斯gydF4y2Ba 739 mA /毫米。此外，在阈值电压只有0.1 V的正位移。gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba 2gydF4y2Ba显示了设备在应力扫描期间的栅极二极管曲线gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = 0 V至+2.5 v≤gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≤+6.5 V(步骤2-6)。在最初几次扫描过程中，栅极电流有所改善。在此之后，出现了低栅极偏压下的过量泄漏(见左上角插图)，然后栅极电流随着应力时间的增加而饱和。尽管理想状态下降，击穿电压仍保持在200 V以上(基于满足1 mA/mm的击穿标准)。如果有任何变化gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba 它是轻微的，并被其他影响所掩盖。相比之下,(gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba]观察到一个明显的变化gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba 约为0.5 在较短的应激时间内。gydF4y2Ba

[的详细资料不足gydF4y2Ba 6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba 7gydF4y2Ba]充分比较和对比这些结构和当前结构。然而，技术成熟度、栅金属堆栈差异以及当前技术中的源连接场板是观察到的改进的可能因素。参考[gydF4y2Ba 10gydF4y2Ba]提供了一个物理解释，解释了为什么正栅极偏置和电流对GaN HEMT的损害可能不像传统智慧所要求的那样大。参考[gydF4y2Ba 10gydF4y2Ba[还提供了一个观察到的不符合热诱导衰减预期的例子:半ON状态下的跨导衰减比高功率ON状态下的跨导衰减更大。gydF4y2Ba

在本测试中发现的高正向栅极电流会导致早期老式GaN HEMT的严重退化或失效。测试的GaN HEMT显示出承受几乎恒定的高正向栅极应力的能力，并显示出高水平的容许正向栅极应力。变压器漏电流故障判据[gydF4y2Ba 9gydF4y2Ba]−10%gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba DSSgydF4y2Ba ．公称工业闸门泄漏失效准则为1ma /mm。在目前测试的描述中没有达到失效标准(见图)gydF4y2Ba 1gydF4y2Ba)．尽管栅极泄漏增加了两个数量级以上(见图)gydF4y2Ba 1 (b)gydF4y2Ba),gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba DgydF4y2Ba 马克斯gydF4y2Ba ，gydF4y2Ba VgydF4y2Ba 百分度gydF4y2Ba 当然，任何特定参数的最大允许退化取决于具体应用。gydF4y2Ba

我们应该澄清的是，我们预计实际操作中不会出现持续的长期偏差gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 我们已经测试过的条件，并没有说明这已被证明是可行的。相反，我们展示了短暂的游览，或短期操作，直到gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba = +6.5 V可能是可行的。根据测试所承受的压力时间，这种偏移不会是灾难性的。gydF4y2Ba

为了估计由于高正向门应力造成的器件寿命，需要通过额外的测试和分析来确定适当的促进剂和加速模型(因为在使用条件下测试是不切实际的)。在[gydF4y2Ba 3.gydF4y2Ba，作者指出，由于高反向栅极偏压的栅极退化对温度的依赖性较弱，对栅极电压的依赖性较强。栅极电压也可能是正向栅极应力的促进剂。物理失效分析也需要了解由于高正浇口应力的退化。gydF4y2Ba

 4.结论gydF4y2Ba

仅仅是在实验室测试的设备的存活gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≥+1.8 A/mmgydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba ≥+6.0 V的>17.5小时是显著的，此外，随着应力时间的延长，漏极电流出现适度的衰减，出现饱和。在此报告的结果是可重复的，证明了三个设备的相似反应，除了事实，这些部分是标准的商业设计从一个基线制造过程。观察结果表明，GaN hemt测试是非常稳定的高正向栅偏压和电流。基于测试结构的器件显示了在RF操作期间承受正栅偏压和电流的严格性的潜力，以及高gydF4y2Ba 我gydF4y2Ba GgydF4y2Ba 可见的容忍度可以给电路设计者提供额外的空间。需要进一步的研究来了解时间-温度-gydF4y2Ba VgydF4y2Ba GgydF4y2Ba 交易空间和射频操作下以及很长时间（数千小时）内由于高正向偏压和电流导致的全部退化程度。gydF4y2Ba

 信息披露gydF4y2Ba

本文所表达的观点只是作者的观点，并不反映美国空军、国防部或美国政府的官方政策或立场。gydF4y2Ba

 致谢gydF4y2Ba

作者感谢空军研究实验室高可靠性电子虚拟中心团队的支持，感谢Kelson Chabak、Antonio Crespo、Brian Poling和Steve Tetlak提供的有用建议。这项研究由空军研究实验室（AFRL/RYD）传感器理事会航空航天组件和子系统部资助。gydF4y2Ba

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