论文总结：
- 本文献深入研究了带有p-GaN栅极的正常关断型(normally-off)高电子迁移率晶体管(GaN-HEMTs)在恒定电压应力下的时序退化行为。通过直流特性分析和温度依赖性分析，研究了故障时间(TTF)与应力温度和器件几何结构的依赖性。结果显示，p-GaN栅极晶体管在7.2V的栅偏压下可达到20年的使用寿命，表明了良好的稳定性。故障时间与应力电压呈指数关系，且退化主要发生在栅极边缘而非中心。此外，TTF与温度有关，具有0.48-0.50 eV的激活能。
研究背景：
- GaN基晶体管因其在功率电子领域的应用潜力而受到关注。为了实现可靠的正常关断型设备，研究者提出了多种策略，其中基于p型栅极堆叠的方法在市场上得到了广泛应用。因此，研究这些器件的稳定性和可靠性至关重要。
研究目的：
- 本研究旨在探究p-GaN栅极GaN-HEMTs在恒定电压应力下的退化动力学，以及故障时间与应力温度和器件几何形状的关系。
研究方法：
- 实验在200mm硅衬底上生长的GaN基高电子迁移率晶体管(HEMTs)上进行。通过改变栅宽(WG)和栅长(LG)来调整器件面积，以研究不同器件几何形状对TTF的影响。在30°C至180°C的温度范围内进行应力测试，以评估TTF是否受热激活。
实验细节：
实验样品：
- 实验在基于200mm硅衬底生长的GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)上进行。
- 样品的外延结构包括200nm的AlN层、500nm的Al0.75Ga0.25N、500nm的Al0.44Ga0.66N、2000nm的C掺杂Al0.08Ga0.92N背栅、300nm的GaN和15nm的Al0.25Ga0.75N。
- 在栅极下，生长了70nm的p-GaN层以实现正常关断操作，其阈值电压为1.7V。
应力测试：
- 器件在不同电压水平下进行了恒定电压应力测试。
- 测试期间，持续监测器件的电参数。
- 为了描述TTF与器件几何形状的依赖性，研究者们对具有不同栅面积的样品进行了应力测试。
- 通过改变栅宽(WG)和栅长(LG)来调整器件面积。
- 在30°C至180°C的温度范围内进行测试，以评估TTF是否受热激活。
测试设备和条件：
- 实验中使用了标准的直流(DC)特性分析和温度依赖性分析。
- 应力测试期间，栅极电压(VG)、漏极和源极电压(VD和VS)均被设定为0V，以模拟恒定电压应力条件。
- 测试过程中，记录了栅漏电流随时间的变化，以评估器件的稳定性和预测其寿命。
数据分析：
- 实验数据通过Weibull分布和Arrhenius方程进行分析，以评估TTF的统计分布和温度依赖性。
- 通过这些分析方法，研究者们能够确定TTF与应力电压、器件几何形状和温度的关系。
研究结果与机理解释：
温度相关性分析：
- 实验观察：通过在30°C至180°C的温度范围内对器件进行应力测试，研究者们观察到TTF（Time to Failure，故障时间）随着温度的升高而减少。这一现象表明，高温加速了器件的退化过程。
- 热激活过程：Arrhenius图显示TTF与温度的关系符合热激活过程，即高温增加了原子和分子的热运动，从而促进了导致器件退化的物理过程。通过Arrhenius方程拟合，研究者们得到了一个激活能在0.48 - 0.50 eV之间的值，这为理解器件在不同温度下的退化机制提供了定量信息。
- 机制解释：高温可能导致更多的热激发事件，如电荷载流子的注入和陷阱的形成，这些事件可能在p-GaN/AlGaN界面积累，导致电场局部增强和器件最终失效。
栅极结构相关性分析：
- 栅极结构的影响：研究者们通过改变器件的栅宽(WG)和栅长(LG)来评估器件面积对TTF的影响。结果显示，仅当通过增加栅宽来增加器件面积时，TTF才会减少；而通过改变栅长来增加面积时，TTF没有显著变化。
- 边缘效应：这一结果表明退化现象主要发生在栅极的边缘区域，而非整个栅极区域。这可能是由于栅极边缘的电场分布不均匀，导致局部电场强度较高，从而更容易产生缺陷和退化。
- 机制解释：退化可能与栅极边缘的局部电场增强有关，这可能导致电荷载流子的注入和陷阱的形成，进而引发时间依赖性的电击穿（TDDB）或其他退化机制。
研究的创新点和亮点：
- 本研究首次详细分析了p-GaN栅极GaN-HEMTs的退化动力学，并揭示了退化主要发生在栅极边缘的新颖发现。此外，通过温度依赖性分析，确定了退化过程的热激活特性。
研究的意义和应用前景：
- 这项研究对于理解和改进GaN-HEMTs的稳定性和可靠性具有重要意义，特别是在高电压应用中。通过揭示退化机制和影响因素，可以指导未来的器件设计和制造过程，以实现更高性能和更长寿命的功率电子器件。这对于推动GaN技术在汽车、工业和消费电子产品中的应用具有积极影响。
图 1: 恒定电压应力测试结果。展示了在9.5V栅压下对10个相同器件进行的恒定电压应力测试结果。在测试初期，栅漏电流相对稳定，并在最初的1-10秒内略有下降。随着时间的推移，栅漏电流开始增加，并伴随着噪声的增加。在1-10千秒的应力时间内，器件突然失效，表明了初始栅漏电流的变异性以及低初始漏电流样品具有更长的TTF。
图 1: 恒定电压应力测试结果。展示了在9.5V栅压下对10个相同器件进行的恒定电压应力测试结果。在测试初期，栅漏电流相对稳定，并在最初的1-10秒内略有下降。随着时间的推移，栅漏电流开始增加，并伴随着噪声的增加。在1-10千秒的应力时间内，器件突然失效，表明了初始栅漏电流的变异性以及低初始漏电流样品具有更长的TTF。
图 3: 应力电压对TTF的影响。通过箱线图展示了在9.5V、9.75V和10V三个不同应力电压下对10个相同样品进行的应力测试结果。数据表明，以7.2V的应力电压进行测试时，器件的寿命可达20年，这证实了所分析技术的鲁棒性。
图 4: TTF与初始栅漏电流的关系。展示了在9.5V、9.75V和10V三个不同应力电压下进行的应力测试中，TTF与初始栅漏电流之间的关系。结果表明，TTF与初始栅漏电流有关，低初始漏电流的器件具有更长的TTF。
图 5: 器件布局示意图。展示了分析器件的布局，包括栅极、源极和漏极的位置，以及栅宽(WG)和栅长(LG)的定义。说明了器件面积可以通过改变栅宽或栅长来增加。
图 6: 器件几何形状对TTF的影响。展示了在10V的相同应力电压下对不同几何形状的器件进行的应力测试结果。结果显示，仅当通过增加栅宽来增加器件面积时，TTF才会减少；而通过改变栅长来增加面积时，TTF没有显著变化。这表明退化主要发生在栅极边缘，而不是整个栅极区域。
图 7: 温度对TTF的影响（Weibull图）。展示了在9.5V栅压下，不同温度水平（30°C至180°C）对10个相同样品进行的应力测试的Weibull图。随着温度的升高，TTF降低，但Weibull分布的形状因子保持在1以上，表明退化机制是内在的。这些结果表明，TTF与温度有关，且退化过程可能受热激活。
图 8: 温度对TTF的影响（Arrhenius图）。展示了在不同温度水平下进行的应力测试结果，并通过Arrhenius图形式展示了TTF与温度的关系。实验数据覆盖了从30°C到180°C的温度范围，以评估温度对TTF的影响。结果表明，随着温度的升高，TTF（即器件的平均寿命）呈现出下降趋势，这与热激活过程的预期一致。通过Arrhenius方程拟合实验数据，得到了一个激活能（Ea）在0.48 - 0.50 eV之间的值，这为理解器件在不同温度下的退化机制提供了重要信息。
图 9: 不同温度水平下TTF与初始栅漏电流的关系。展示了在9.5V栅压下，不同温度水平（30°C至180°C）对器件进行的应力测试中，TTF与初始栅漏电流之间的关系。该图揭示了在不同温度条件下，TTF与初始栅漏电流之间存在强烈的相关性。结果表明，即使在不同的温度下，器件的TTF仍然与初始栅漏电流密切相关，这支持了高温下机制2（正电荷在p-GaN/AlGaN界面的积累）可能加速的假设。这种相关性可能意味着在高温条件下，由于栅漏电流的增加，正电荷在p-GaN/AlGaN界面的积累过程可能更加显著，从而导致器件寿命的缩短。