基于LPCVD Si3N4双层叠栅结构的GaN MISHEMT栅可靠性研究
批准号:
62104067
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陶明
依托单位:
学科分类:
半导体电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陶明
中文摘要
GaN MISHEMT是备受关注的新一代GaN基功率器件种类之一,LPCVD SiN因质量良好被公认为GaN MISHEMT最可靠的栅介质层材料,在其淀积之前引入低温生长的薄插入层介质(2~3nm)可以有效避免LPCVD工艺中的高温过程对GaN表面带来的损伤,提高器件的栅可靠性,但这种双层叠栅结构器件的栅介质经时击穿失效机制和阈值电压漂移机制不明确,栅可靠性问题有待改善。本项目拟针对基于LPCVD SiN双层叠栅结构GaN MISHEMT的栅可靠性问题进行研究:1、建立器件栅介质经时击穿失效机制模型,并明确导致该失效的缺陷态微观结构和物理信息;2、建立高压、高温恶劣条件下器件阈值电压漂移机制,给出在该严苛条件下使用器件应考虑的栅极电压安全工作范围。本项目的完成有利于解决GaN MISHEMT商业化进程中的关键性问题:器件失效性测试标准的建立和在实际使用过程中栅极驱动电路设计需要考量的方向。
英文摘要
GaN MISHEMT is one of the new generation of GaN based power devices and LPCVD SiN is recognized as the most reliable gate dielectirc material for GaN MISHEMT because of its good quality. The introduction of a thin insertion layer (2~3nm) before SiN deposition can effectively avoid the damage of GaN surface caused by the high temperature in LPCVD process and improve the gate reliability of the device. However, the gate time dependent dielectric breakdown (TDDB) failure mechanism and threshold voltage drift mechanism are not clear, and the gate reliability needs to be improved. This project will study the gate reliability of GaN MISHEMT based on double stacked gate structure: 1. The physical model of TDDB failure mechanism will be established, and the microstructure and physical information of defect state leading to the failure will be clarified; 2. The mechanism of threshold voltage drift of devices under high voltage and high temperature conditions will be established, and the safe operating range of gate voltage that should be considered when using devices under such severe conditions will be given. The completion of this project will help to solve the key problems in the commercialization process of GaN MISHEMT: the establishment of device failure test standards and the problem needs to be considered when designing the gate drive circuits of the device.
GaN MISHEMT由于其栅漏电小,栅压摆幅大等优势,是备受关注的新一代GaN基功率器件之一。本项目针对基于LPCVD Si3N4双层叠栅结构的GaN MISHEMT发展中所面临的栅可靠性重要问题与挑战,开展了器件栅介质形成关键工艺、阈值电压漂移以及栅介质经时击穿失效机制、栅介质/GaN界面缺陷态微观结构起源等基础研究。研究表明:. 1、薄插入层的引入能够有效降低栅介质/GaN界面缺陷态密度,从而有效改善器件的导通性能和阈值电压稳定性。. 2、提升器件栅介质硬击穿电压和长时安全工作栅压的关键在于提高栅介质质量及其绝缘性能,改善器件栅介质经时击穿的一致性关键则在于降低栅界面缺陷态密度和提高栅介质质量。. 3、对于LPCVD Si3N4/PEALD-AlN/GaN叠栅结构而言,PEALD-AlN淀积前的表面等离子体预处理工艺能够有效降低栅界面/近界面缺陷态密度,相比于对界面缺陷态的抑制,对近界面缺陷态的抑制效果更好。此外,GaN表面质量能够直接影响AlN的生长质量,氧杂质更少的表面更容易生长出高质量结晶的AlN层,栅界面缺陷态密度更低,栅介质一致性更好。. 4、对于LPCVD Si3N4/ALD-Al2O3/GaN叠栅结构而言,O2退火工艺中存在一组最优的退火工艺参数使得栅界面质量最好,退火不够会导致初始界面悬挂键缺陷态得不到有效抑制,退火过了会引入O悬挂键和N悬挂键缺陷;N2退火工艺效果不如O2退火工艺,虽然N2退火能够一定程度上抑制由Al悬挂键和Ga悬挂键引起的界面缺陷态,但是即使是最优的退火工艺条件下,栅界面依然会存在由N悬挂键引起的缺陷态。. 5、Si3N4/GaN界面缺陷态微观结构主要是界面上的Si和N悬挂键;AlN/GaN界面缺陷态微观结构主要是界面上的O和N悬挂键;Al2O3/GaN界面缺陷态微观结构主要是界面上的Al悬挂键、Ga悬挂键和N悬挂键。. 本项目成果阐明了不同栅介质形成工艺对器件栅可靠性影响的物理机制,明确了栅介质/GaN界面缺陷态微观结构,为工艺优化提供了明确的方向,为研发阈值电压稳定性良好和栅介质经时击穿性能优异的GaN MISHEMT提供了理论基础和指导依据,具有重要的理论和应用价值。
面向DC/DC变换器应用的P-GaN栅HEMT器件动态Ron退化机理与栅可靠性问题研究
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批准号:2023JJ40176
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:陶明
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依托单位:
国内基金
海外基金