200 °C 下 GaN p 沟道场效应晶体管高温特性的研究

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Investigation of High-Temperature Characteristics of GaN p-Channel Field-Effect Transistors at 200 °C

　　

摘要：GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）是实现高效GaN互补电路的关键器件。然而，目前关于GaN p-FET高温可靠性的研究仍十分有限。本文研究了GaN p-FET的温度依赖性。当温度从25°C升高至200°C时，正向扫描下阈值电压从?1.79 V负移至?2.02 V，阈值电压迟滞从0.77 V增大至2.17 V，最大漏极电流从0.015 mA/mm下降至2.1×10?? mA/mm，同时漏电流增大，ION/IOFF比降低。这主要归因于高温下载流子跃迁与散射的增强，进一步降低了二维空穴气（2DHG）的密度和迁移率。此外，正向扫描中阈值电压在高于100°C时呈现轻微正移，这源于高温下受主电离的增强。变温霍尔效应测量表明，在该温度范围内，迁移率从12.79 cm2/V·s下降至4.62 cm2/V·s，有效空穴密度从4.85×1012 cm?2增加至4.75×1013 cm?2。值得注意的是，经过24小时恢复后，界面陷阱密度（Dit）从1.99~3.30×1013 cm?2/eV下降至1.45~2.65×1013 cm?2/eV，且陷阱能级变浅，从0.41~0.44 eV移至0.36~0.38 eV。相应地，漏极电流较初始状态增加了73%。这些结果表明，在高达200°C的温度下，所研究的p-FET电学特性出现了显著退化，但在室温下弛豫24小时后可实现电学性能的基本恢复。本工作为GaN p-FET的开发提供了重要见解……

I. 引言

近年来，GaN基功率器件，特别是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），凭借低导通电阻、高工作频率和高功率密度等优势，在中低功率变换应用中展现出显著的性能优势[1]、[2]。全GaN单片集成技术是充分发挥GaN器件性能潜力的重要途径，已成为研究热点。该技术旨在将高压功率器件与低压控制、驱动、监控和保护电路进行集成，从而减小芯片互连引起的寄生效应[3]~[7]。目前，全GaN单片集成中的低压控制与驱动模块主要依赖于n沟道GaN器件。这些模块所采用的直接耦合FET逻辑（DCFL）和电阻—晶体管逻辑（RTL）存在固有缺陷，包括静态功耗高、噪声容限低和集成密度受限等，严重制约了其在GaN集成芯片中的应用潜力[8]~[10]。