动态栅极应力下肖特基p-GaN栅极HEMTs阈值电压不稳定性研究

《Microelectronic Engineering》：Threshold voltage instability in Schottky p-GaN gate HEMTs under dynamic gate stress

　　

本研究探究了650-V肖特基p-GaN栅极HEMTs在动态栅极应力（DGS）下的阈值电压不稳定性。研究人员实验分析了栅极偏压、温度、开关频率和占空比对阈值电压漂移（ΔVTH）的影响。结果表明，ΔVTH强烈依赖于所施加的应力条件，并且源于栅极堆栈内多种电荷俘获机制的相互作用。特别是，增加栅极偏压会增强负向阈值电压漂移，而更高的温度和开关频率则促进正向贡献，部分补偿了负向漂移。占空比也被发现起着关键作用，它通过改变有效的正偏置时间以及竞争性俘获机制之间的平衡来影响结果。与直流恒定电压应力的比较进一步凸显了动态应力条件在确定阈值电压演化中的重要性。这些发现为p-GaN HEMTs在与开关操作相关的DGS条件下的可靠性行为提供了更深入的见解。

论文解读文章

研究背景与意义

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）因其低开关损耗、高阻断能力和适合高频运行等优势，已成为高效功率电子学的关键器件。其中，常关型p-GaN栅极HEMTs在现代功率变换器中得到了日益广泛的应用。然而，栅极可靠性问题仍是阻碍该技术大规模部署的主要关切点。以往多数可靠性研究是在静态直流（DC）应力条件下进行的，但这并不能完全复现器件在实际开关操作中所经历的电气环境。在实际应用中，栅极端子承受着快速的电压跳变和重复的脉冲应力，这可能会激活额外的退化机制并影响长期稳定性。因此，在更贴近实际应用的动态栅极应力（DGS）条件下研究GaN器件的可靠性至关重要。已有研究探讨了DC和DGS条件下导致p-GaN栅极HEMTs阈值电压（V_TH）不稳定性的机制，指出观察到的ΔV_TH源于多种物理机制间的相互竞争。这些机制包括：较低栅压下与二维电子气（2DEG）和AlGaN势垒层中电子陷阱相关的正向漂移；较高栅压下由空穴隧穿至AlGaN势垒层预存缺陷导致的负向漂移；以及在长时间强应力下，因碰撞电离产生的新缺陷引发的额外正向漂移。尽管这些机制在DGS下的定性依赖关系相似，但诸如开关频率（f）和占空比（D）等额外应力参数对整体ΔV_TH的影响尚需深入研究，尤其是占空比效应在文献中受到的关注较少。为此，本研究旨在系统分析正向栅压（V_GSH）、温度（T）、开关频率（f）和占空比（D）对p-GaN栅极HEMTs在DGS下ΔV_TH的综合影响，为理解其在实际开关工作条件下的可靠性行为提供重要依据。

研究方法概述

研究人员采用测量-应力-测量（MSM）序列评估ΔV_TH。应力阶段，使用Agilent 81110 A脉冲波形发生器（PWG）驱动栅极，施加在0 V和高电平V_GSH之间切换的方波脉冲，同时将漏极和源极接地。通过50 Ω阻抗匹配和靠近栅极端子的高频同轴端接来控制寄生效应并确保瞬态振荡可忽略，脉冲上升和下降时间设定为20 ns。测量阶段，在接近阈值电压的V_GS = 1.5 V和V_DS = 100 mV条件下采样漏极电流（I_D）。ΔV_TH通过公式 ΔV_THi = -(I_D,i - I_D,0) / g_m,0 估算，其中g_m,0和I_D,0分别为新鲜器件的跨导和漏极电流，I_D,i为第i次应力后的漏极电流。此方法避免了每次应力后进行完整的I_D-V_GS扫描，有助于限制恢复效应对ΔV_TH估算的影响。所有结果为三个不同被测器件（DUTs）在相同应力条件下提取的ΔV_TH的平均值，器件间分散性很小（平均±28 mV）。

研究结果

3.1 栅极偏压依赖性

在30 °C下，随着V_GSH的增加，ΔV_TH表现出越来越大的负向漂移，且随应力时间加剧。这与更高V_GSH促进空穴注入p-GaN区并通过弹性隧穿被AlGaN势垒层预存缺陷俘获（机制(ii)）的解释一致。在150 °C下，对于V_GSH ≥ 7 V仍观察到类似的负向趋势，但总体漂移幅度小于30 °C；而对于V_GSH ≤ 5 V，则观察到正向ΔV_TH。这表明高温下，机制(ii)保持近乎温度无关，而与电子俘获相关的机制(i)的正向贡献变得显著，从而部分补偿了负向漂移。通过对比应力前后的I_D-V_GS特性曲线，证实了ΔV_TH提取方法的有效性，因为跨导基本不变，表明电流变化主要反映阈值电压漂移。

3.2 温度依赖性

在V_GSH = 9 V条件下，所有测试温度（30 °C至150 °C）均观察到负向ΔV_TH，且低温下负向漂移更大。由于机制(ii)几乎与温度无关，这一现象表明存在另一个温度相关的正向机制(i)在起作用。高温促进了热激活的电子发射和俘获过程，增强了正向贡献，从而抵消了部分负向漂移。恢复实验显示，应力后ΔV_TH在V_GS = 0 V下逐渐恢复，表明主导机制是可逆的电荷俘获/去俘获过程。不同温度下应力后的ΔV_TH差异在恢复过程中逐渐减小并趋近于同一最终值，进一步支持了温度依赖性源于一个温度无关的负向机制(ii)和一个温度激活的正向机制(i)叠加的观点。

3.3 频率依赖性

在30 °C下，不同频率（f）的ΔV_TH曲线几乎重叠，表明此时占主导的机制(ii)受频率影响很弱。在150 °C下，则观察到明显的频率依赖性：频率越高，ΔV_TH的负向漂移越小。由于这种频率依赖性仅在机制(i)变得显著的条件下出现，表明频率主要影响该正向组分。更高频率增强了导通状态（V_GS = V_GSH）下的电子注入和溢出，提高了电子在AlGaN势垒及其界面处被俘获的概率，从而增加了正向ΔV_TH组分。同时，更高频率缩短了关断状态（V_GS = 0 V）的持续时间，限制了俘获电荷的恢复，进一步维持了净电荷积累。这两个因素共同作用，使得更高频率下正向补偿更有效，减轻了整体负向漂移。

3.4 占空比依赖性

在30 °C和V_GSH = 9 V条件下，对于两种频率（1 MHz和100 kHz），均观察到ΔV_TH随占空比（D）单调增加而变得更负。即使按累积应力时间（D·Stress Time）重新评估，曲线也不重合，表明不稳定性并非仅由等效高栅压时间决定，而是反映了周期内俘获与去俘获的非对称动力学。更低的D意味着更短的导通时间和更长的关断时间，分别减少了俘获效率和促进了去俘获，因此净退化更小。直流（DC）恒定电压应力（D=100%）代表了最坏情况，表现出最大的负向漂移。在150 °C和V_GSH = 9 V下，D依赖性更为复杂，初期D=25%和D=50%的ΔV_TH差异很小，而D=50%和D=75%差异较大，这是由于高温下机制(i)的正向贡献也影响了D依赖性。在V_GSH = 4 V的低栅压下，机制(ii)贡献减弱，机制(i)的相对作用显现，导致在30 °C下ΔV_TH随D增加反而减小（负向漂移减轻），而在150 °C下ΔV_TH变为正向且随D增加而增大。在150 °C、V_GSH = 9 V和长应力时间（≥1000 s）下，D=25%的ΔV_TH持续负向漂移，而D=50%和D=75%的曲线趋于饱和甚至出现部分反转，这可能标志着机制(iii)（由碰撞电离产生的缺陷导致的正向漂移）的启动，该效应在高D下更明显，并在DC应力下最早被观察到。

总结与结论

本工作系统研究了肖特基p-GaN栅极HEMTs在动态栅极应力下的阈值电压不稳定性，考察了栅压幅值、温度、开关频率和占空比的影响。结果表明，观察到的ΔV_TH演化源于多种具有不同应力条件依赖性的机制之间的相互竞争。增加V_GSH增强了与空穴俘获相关的负向贡献（机制(ii)），而更高的T和f则促进了与电子俘获相关的正向贡献（机制(i)），从而部分补偿了负向漂移。占空比也被发现对阈值电压演化有显著影响。与DC恒定电压应力的比较表明，退化不能仅由正栅压下的累积时间描述，这突显了开关操作期间动态俘获和去俘获动力学的重要性。在最严苛的应力条件下，结果还暗示了可能存在与机制(iii)一致的额外贡献。总体而言，这些发现表明，p-GaN栅极HEMTs在DGS下的V_TH不稳定性由V_GSH、T、f和D的综合效应所决定，即由器件的任务剖面决定。