热应力下的阈值漂移及器件可靠性

P-GaN HEMT 器件电热仿真结果

半导体器件如HEMT器件在长时间工作后会产生自热应力，严重的自热效应会使沟道温度升高，电子迁移率降低，阈值电压漂移，自热应力下载流子的输运机制会发生变化，进而会影响器件的可靠性。

下面以HEMT器件为例，在器件工作过程中实时监控其温度，并观察其阈值电压变化情况。

从上图可以看到，两器件（DUT-1和DUT-2）在应力后均呈现明显的阈值电压正向漂移现象，并且对于DUT-1器件温度最高可以达到147℃ ，其阈值电压的漂移量相较于温度较低的 DUT-2 更大，达到了0.83 V，此程度的阈值正向漂移可能增加实际功率电路应用中额外的开关损耗，降低工作效率，甚至导致电路因工作点异常而失效。

而给器件增加了冷板进行散热后，阈值电压漂移会明显减小。如下图：

机理分析：

载流子输运及陷阱行为机理模型

在较低的器件温度下，有部分电子从自热效应产生的热能中获得足够的能量从而溢出 2DEG 沟道，但由于温度较低，部分电子并未到达 P-GaN与 AlGaN界面，而被 AlGaN 层内受主型陷阱捕获，从而导致P-GaN 层下方存在净负电荷，使器件在应力后出现 DUT-2、DUT-3、DUT-4 所示的相对较小的阈值电压正向漂移，并抑制器件反向栅极漏电流。同时，被陷阱捕获的电子会在 AlGaN 层内形成漏电通路，使得沟道电子更易发生隧穿而穿过 AlGaN 势垒层，被 P-GaN 层肖特基结的空间电荷区扫入金属电极而被收集，从而可观测到在施加应力的过程中，栅极漏电流呈现增大趋势。

在更高器件温度的条件下，更高的温度使沟道电子获得更大的能量，使其能越过AlGaN势垒层，到达P-GaN/AlGaN 层界面以及 SiN/AlGaN 界面。在栅极边缘第一热点及电场的作用下，热激发的电子越过AlGaN 势垒，一部分会被 P-GaN/AlGaN 界面存在的界面电子陷阱捕获，导致更为显著的阈值电压的正向漂移；另一部分电子则未被界面陷阱捕获，而直接越过 AlGaN 势垒层并被 P-GaN 层内的空间电荷区的电场扫入栅极金属，从而在应力过程中可观测到更加明显的栅极漏电流增大的现象。同时，在第一层源场板边缘的第二热点与电场的作用下，沟道内部分电子向栅漏接入区方向溢出，被 SiN 钝化层与 AlGaN 层界面的电子陷阱捕获，这与电热仿真结果中的双电场与温度峰值出现的位置相对应。

自热应力下，除阈值电压漂移外，还有其它特性，如自热应力下正向和反向I-V曲线差异，掺杂浓度变化，以及掺杂厚度影响，对迁移率以及电子热运动速率均有关联，进而影响器件的可靠性。

了解热应力的下特性，对高压器件的热管理设计也具有指导作用，一方面自热效应的研究将会有利于外延生长过程中温度的控制以及芯片制程及封装设计等进行优化，或者可以通过利用热导率较高的材料如金刚石进行散热等，从材料设计生长到封装全流程统筹考虑。

关于热应力下的器件可靠性问题，笔者会继续关注相关探讨。END

特别说明：文字仅限技术交流，旨在促进行业进步，文中图片来自公开文献。

撰稿/编辑：辛路；E-mail：hsglb2005@163.com

参考：

[1]匡维哲;周琦;陈佳瑞;杨凯;张波.自热效应下P-GaNHEMT的阈值漂移机理[J].电子与封装,2022,22(08)
:68-73.DOI:10.16257/j.cnki.1681-1070.2022.0805

[2]汪海波;蒋先伟;曹孙根;汪承龙;张泽宇.氧化镓肖特基二极管自热效应的仿真研究[J].合肥师范学院学报,2022,40(06):1-7.

[3]朱清凡.面向自热效应和阈值电压调控的β-Ga_2O_3场效应晶体管（FET）栅极结构优化设计研究[D].南京邮电大学,
2022.DOI:10.27251/d.cnki.gnjdc.2022.000423

[4]郭亮良;栾苏珍;张弘鹏;乔润迪;余建刚;张玉明;贾仁需.垂直增强型氧化镓MOSFET器件自热效应研究[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2022,52(09):75-84.

来源：芯路说