一个非常强大的AlGaN / GaN HEMT技术向高速前向栅极偏置和电流

抽象

报告以进行正向栅极偏置应力的GaN HEMT的日期包括降解的变化的程度。We report an extremely robust GaN HEMT technology that survived—contrary to conventional wisdom—high forward gate bias (+6 V) and current (>1.8 A/mm) for >17.5 hours exhibiting only a slight change in gate diode characteristic, little decrease in maximum drain current, with only a 0.1 V positive threshold voltage shift, and, remarkably, a persisting breakdown voltage exceeding 200 V.

1.简介

最近有报道指出，高负栅偏置会导致GaN HEMTs的栅门退化。这种退化机制的特征是栅泄漏电流的增加[1-3]。

其他报告状态正向栅极电流尤其是RF操作期间限制的GaN HEMT，的存活时间[4，五]。的GaN HEMT（μ男，μ米）在[6] reached about 400 mA/mm forward gate current before burning out. The semi-insulating Fe-doped GaN of [6]在蓝宝石衬底上通过MOCVD生长。

文献[7] specifically considered the effects of high positive gate bias (up to +6 V) on GaN HEMTs with gate-integrated field plates,μm,μ由步进。在0.5 V的步骤中从+0.5 V到+6 V，每步30分钟，减少（在一个ñØrmalized gate current of 1 mA/mm) after 360 minutes was observed, accompanied by about a 10⁴增加栅极漏电流和强欧姆栅极行为。作者的结论是，大的正向栅极电流和高温降解肖特基接触。尽管在减少[7]表明，在漏极和源极的电阻和最大漏极电流小的劣化。

我们展示了在极高的栅极电流密度下对GaN HEMTs施加更长的时间和更积极的结果。尽管存在极高的偏差，我们测试的设备在[[6，导电性能更差降解比在[7]。值得注意的是，我们测试的器件经受住了应力(与传统智慧相反)，器件的漏极电流和电压能力退化很小。

2.实验

我们强调了四标称相同的AlGaN / GaN HEMT器件。所有四个器件具有其中包括半绝缘SiC衬底的相同的结构[8]，0.5 μ米长的光学具有栅极集成场板限定门[8]和源连接场板[9]。栅极宽度为2×50 μ米栅极包含低栅电阻镍肖特基势垒和厚的金覆盖。高电阻GaN缓冲物通过OMVPE [生长8]。AlGaN势垒被掺杂的[8]。用PECVD生长的SiN进行钝化[8]。栅 - 漏间隔为比栅极 - 源极间隙更大[8]。

将器件在空气中的珀耳帖热底板测试。所使用的电源是安捷伦型号E5280A高功率源/监视器单元（SMU）模块（用于漏极）和E5281A中等功率SMU模块（用于栅极）在一个模型E5273A 2声道SMU。

我们强调的设备定义安全工作区。一个最初测试部分（未示出）中的溶液，以强调 mA/mm at a base plate temperature of= 35℃，没有任何辨别的降解，这提供了用于本研究中的参考和动力。基于这一观察，如下所述被进行栅​​极的鲁棒性进行了详细研究。对于这个详细的研究，源极和漏极分别引线键合和栅极用针探针接触。以下序列是在使用= 45°C。电压扫描和传输曲线电压范围被划分为201个线性，~35 ms停留步骤(~7秒总扫描时间)。（1）用的转移曲线表征（= - 6v到1v和=10 V) before any stress and after each stress sweep (steps 2–6).（2）扫三次从0 V到+2。5 V==0 V.（3）扫four times from 0 V to +2.5 V with==0 V and hold在+2。五 V for 1 minute.(4)扫from 0 V to +3.0 V with==0 V and hold以+3.0 V持续1分钟。在+0.5 V时重复=+6。五 V (= 1.89 /毫米)。(5)扫从0 V到+6.0 V==0 V and hold在+6。0 V for 30 minutes.(6)用30分钟，150分钟，120分钟，和> 12小时的保持时间，分别在重复步骤5=+6。0 V (一个/毫米)。最后一次握持后，设备处于小偏置状态(μA /毫米，=由于闸板接触针探头松脱，导致两天内失效。

总之，测试持续时间超过17.5小时在=+6。0 V in addition to 1 minute at=+6。五 V.

3.结果与讨论

下面将描述来自其中一个被测试设备的结果。综上所述，该装置在偏压下存活了17.5小时=+6。0 V and≥ 1820 mA/mm forward gate current (see Figure2),which is a current density of >360 kA/cm²和>10.9 W/mm power通过栅。(定义为在= 1 V和=10 V) degraded slightly and saturated over stress duration (see Figure1）。在的理想210分钟应力，降解的后是在低电流下观察到的(见图的左上方2），但需要注意的是这个理想的降解并没有显著影响器件的电流处理能力和耐压能力。

我们测试的器件的正向栅极电流远高于400ma /mm (57 kA/cm)的值²)报告于[6破坏了报告中测试的特定氮化镓。在本报告中测试的器件在高栅偏置下导电也较差(1.63 A/mm, 326 kA/cm)²在= +5 V)与…相比7], wherein the forward gate current was reported to be 2 A/mm (800 kA/cm²） 在=+五 V. We note that these comparisons are to devices with different gate lengths, contact and sheet resistances, and source-to-gate-to-drain gaps, although the point made strictly regards the robustness of the Schottky gate which is less sensitive to these differences.

数字1显示了在整个应力过程中器件的传递曲线和相关的门电流绝对值和跨导。黑线表示步骤1(初始值)和步骤2的最后一次重复;红线表示步骤3的最后一次重复和步骤4的结果;最后，绿线表示步骤5-6。最初的栅极电流的轻微改善(可能是诱捕或老化行为)让位于退化。随着a的增加，转移曲线呈现退化趋势饱和显然，前30分钟保持时间后，就像一个短暂的老化效果。两个单独的原因，从而导致快速的降解在长期，短期和缓慢降解术语-出现负责暴露于偏压期间观察到的电改变。栅极电流增大以不同的方式，具有降低的速率变化导致可能的饱和后的第几个小时的应力。几乎没有漏电流降解在所测试的电流密度 - 减少6.1％，比较所述预应力Øf 787 mA/mm to the poststress739 mA /毫米。此外，阈值电压只有0.1 V的正位移。

数字2显示应力扫描期间器件的栅极二极管曲线= 0 V到+2.5 V≤≤ +6.5 V (steps 2–6). During the first few sweeps, the gate current improved. After this, excess leakage at low gate bias appeared (see upper left inset), then the gate current increased with stress time and saturated. Despite the ideality degradation, the breakdown voltage remained above 200 V (based on satisfying the nominal 1 mA/mm industry criterion for breakdown). If there is any change in它是轻微和其他影响所掩盖。相反， [7观察到…的明显变化显著缩短应力时间~0.5 V。

有在[细节不足6，7充分比较和对比这些结构和现在的结构。然而，技术成熟度，栅极金属叠加的差异，以及源连接场板在目前的技术中可能是观察到的改进因素。文献[10提供了一个物理解释，为什么正栅偏置和电流可能不会像传统观点所指示的那样对氮化镓有害。文献[10]还提供了不符合预期热诱导降解的观察的一个示例：跨导退化多为半导通状态比对于较高功率ON状态。

在这个测试中看到的高正向栅极电流会导致早期的GaN HEMTs的显著退化或失效。测试的GaN HEMTs显示出承受几乎恒定的高正向栅应力的能力，并显示出高水平的许用正向栅应力。中漏极电流失效准则[9]为-10％  。The nominal industry gate leakage failure criterion is 1 mA/mm. Neither failure criterion was reached in the characterizations of the present testing (see Figure1）。尽管栅极泄漏增加幅度超过两个数量（见图图1（b）),，，击穿电压无显著影响。当然，任何特定参数中允许的最大退化取决于特定的应用程序。

我们应该澄清的是，我们不期望在现实世界的高运行中持续长期的偏差条件下，我们已经测试并没有指出这已被证明是可行的。取而代之的是，我们发现，短暂的旅行，或者短线操作，达到= +6.5 V可能是可行的。基于测试所承受的压力时间，这样的短途旅行不会是灾难性的。

为了估计装置寿命由于高正向栅极应力，需要一个适当的促进剂和加速度模型来确定（因为测试在使用条件下是不实际的）通过额外的测试和分析。在[3]中，作者指出，栅极降解由于高的反向栅极偏置是弱取决于温度和强烈地依赖于栅极电压。栅极电压也可以是用于前向栅应力的促进剂。物理故障分析也将需要降解了解，由于较高的正向门的压力。

4。结论

仅仅是这个装置的幸存就被测试了≥ +1.8 A/mm and≥ +6.0 V for >17.5 hours is remarkable, in addition to the modest degradation in drain current that appears to saturate over stress time. The results reported herein are reproducible as evidenced by the similar responses of three devices, in addition to the fact that these parts are of standard commercial design from a baseline fabrication process. The results observed indicate that the GaN HEMTs tested are extremely robust to high forward gate bias and current. Devices based on the tested structure show the potential to withstand the rigors of forward gate bias and current during RF operation, and the high宽容看到可允许额外的纬度电路设计。进一步的研究需要了解的时间 - 温度 -在RF操作和长时间(数千小时)下，由于高正向偏置和电流造成的全部退化。

泄露

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

致谢

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，以及Kelson Chabak, Antonio Crespo, Brian Poling和Steve Tetlak的有益建议。这项研究由航空部件和子系统分部、传感器理事会、空军研究实验室(AFRL/RYD)资助。

参考文献

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