在超过150°C的高热反向偏压（HTRB）条件下，650伏p-GaN栅极HEMTs（高电子迁移率晶体管）的鲁棒性对比研究及器件失效机制

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Comparative Investigation on Robustness of 650-V p-GaN Gate HEMTs Under HTRB Beyond 150 °C and Device Failure Mechanisms

高温反向偏置下p-GaN门HEMT可靠性研究。测试650V器件在150-200℃下500小时应力显示175℃时阈值电压漂移可恢复，200℃时出现介质层和GaN外延层灾难性裂纹导致失效，揭示热电应力累积与陷阱中心共同作用机制。

　　

摘要：

在商业电子领域得到广泛应用后，p-GaN栅极HEMTs有望进一步应用于工业和汽车电子领域，以实现高功率密度和高功率转换效率等优异性能。然而，这些应用对器件可靠性提出了更高要求，但目前仍缺乏对器件退化和失效机制的全面研究和深入理解。本文通过研究在超过150°C的高温反向偏压（HTRB）应力下650 V等级的肖特基型p-GaN栅极HEMTs的稳健性和失效机制，填补了这一空白。实验表明，这些器件在175°C和650 V的条件下能够承受长达500小时的长期应力，其阈值电压仍可恢复且未出现器件失效现象。然而，在200°C和650 V/500小时的应力条件下，器件发生了失效。一方面，通过深度能级瞬态光谱（DLTS）分析详细阐明了应力后的阈值电压漂移及其恢复过程，这一过程受空穴和电子陷阱中心的影响；另一方面，钝化介质和GaN外延层中的灾难性裂纹是导致器件失效的两种典型机制。这些失效行为源于在200°C下热电诱导的机械应力所引起的材料疲劳，以及这种疲劳效应在500小时长期应力作用下的累积。这些结果为p-GaN HEMTs在超过150°C条件下的HTRB稳健性提供了新的见解。