《Materials Science in Semiconductor Processing》：Comparative study on the overcurrent failure mechanisms of ohmic-gate and Schottky-gate GaN HEMTs
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GaN HEMT过电流失效机制对比研究揭示结构差异对热积累和电场分布的影响，源场板、漏极P-GaN层及过电流参数是决定失效模式的关键因素。
潘朝凡|姜曦|牛浩|袁松|李向东|尤淑珍|龚晓武|王军
中国西安电子科技大学集成电路学院宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，邮编710071
摘要
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）在异常工作条件下（如系统短路故障或电机驱动器失速）经常遇到超过其额定电流的过电流应力。此类事件会导致严重的自热和电场应力加剧，从而降低器件性能，甚至引发灾难性故障。然而，肖特基栅极GaN HEMTs（SP-HEMTs）和欧姆栅极混合漏极栅极注入晶体管（HD-GITs）在过电流条件下的失效机制尚未完全明了。本研究在受控过电流应力下调查并比较了它们的失效机制，分析了器件结构对失效机制的影响。结果表明，源极场板、漏极p-GaN结构、过电流峰值幅度和脉冲持续时间是决定失效模式的主要因素。实验表征结合TCAD仿真揭示，局部热积累和电场拥挤是器件失效的主要原因。在HD-GITs中，从漏极p-GaN注入的空穴被认为是导致漏极与衬底之间击穿的主要机制。
引言
氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其高开关速度和低开关损耗，已被广泛应用于高功率密度的消费产品中，如D类音频系统、充电器和家用电器。它们在工业和车辆系统中的使用，包括光伏逆变器、车载充电器、航空航天电源和电机驱动器，也预计将快速增长[[1], [2], [3]]。
在极端工作条件下，如系统短路故障或电机失速，功率器件可能承受数倍于其额定电流的过电流应力。由此产生的高电流密度会导致显著的温度升高和电场拥挤，这可能导致静态特性的退化甚至器件失效。这一可靠性问题仍然是GaN HEMTs在大规模高可靠性应用中推广的主要障碍[[4], [5], [6], [7], [8]]。
先前的实验和仿真研究报道了GaN HEMTs在过电流应力下出现的各种退化现象，包括动态导通电阻增加、关断漏电流（I_dss和I_gss）升高以及阈值电压（V_th）漂移[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。这些效应通常归因于过电流应力事件下高漏源电压引起的电流崩溃。过电流脉冲会促进电子在势垒和缓冲层中的捕获，形成负电荷中心，耗尽二维电子气（2DEG），从而增加动态导通电阻[8,13]。重复的电流过应力可能会进一步产生额外的电子和空穴陷阱，增强陷阱辅助隧穿，从而提高I_dss和I_gss[8]。此外，载流子在栅极附近的势垒区域、缓冲层或钝化层中的捕获会形成固定电荷中心，导致V_th漂移[8]。
应当注意的是，过电流耐受性强烈依赖于器件结构和电流传导机制。先前对GaN HEMT反向导通浪涌能力的研究表明，其明显依赖于栅极结构[6]。与传统的肖特基栅极HEMTs（SP-HEMTs）相比，混合漏极栅极注入晶体管（HD-GITs）由于通过栅极注入的空穴注入效率更高，因此具有更好的浪涌电流耐受性。在较高的栅极偏压下，空穴注入可以提高沟道导电性并减轻电流拥挤，从而更好地处理浪涌电流[15]。这些结构差异表明，欧姆栅极和肖特基栅极器件的主要过电流退化和失效机制也可能存在根本性差异。
然而，关于HD-GITs正向过电流传导、相关热行为和失效机制的系统研究仍然很少。更重要的是，在相同的过电流应力条件下，欧姆栅极和肖特基栅极器件之间的直接比较研究还不够充分。
在我们之前的工作中，过电流实验和TCAD仿真仅针对欧姆栅极GaN HEMT进行[16]，观察到了不同的过电流失效行为。然而，关于其独特的过电流失效模式是否归因于其特定器件结构的证据仍然不足。场板、漏极侧p-GaN区域和栅极结构等器件结构因素也会影响过电流行为。这些研究无法仅通过单一器件研究得出明确结论。
为了解决这一空白，本研究对具有相同电流额定值的商用欧姆栅极和肖特基栅极GaN HEMTs的正向过电流行为进行了比较研究。通过使这两种器件承受相同的过电流应力条件，建立了结构与失效之间的关联。通过电学表征、TCAD仿真和微观结构分析，分析了这两种器件的退化和失效机制，并给出了合理的物理失效解释。
本文的其余部分组织如下：第二节描述了实验设置和方法。第三节比较了不同过电流脉冲条件下SP-HEMTs和HD-GITs的行为，并讨论了它们失效特性的差异。第四节展示了分析过电流应力下电场分布、温度演变和载流子迁移率退化的TCAD仿真。第五节基于失效后的分析总结了两种器件的失效机制。第六节总结了本文。
章节摘录
GaN HEMT器件结构比较
图1显示了两种类型GaN HEMT的横截面结构：肖特基栅极GaN HEMT（SP-HEMT）是由GaN Systems Inc生产的GS66508T[17]，混合漏极栅极注入晶体管（HD-GIT）是由Infineon Technologies生产的IGT60R070D1[18]。两种器件的电学参数见表1。主要的结构差异在于栅极接触金属化、场板结构和漏极区域。
在SP-HEMT中，采用了多场板设计
实验结果
本节分析了两种类型GaN HEMT在过电流应力下的器件行为和失效机制。还研究了不同电流脉冲宽度对器件行为的影响。
过电流条件下GaN HEMT的仿真研究
本节进行了TCAD仿真，以分析SP-HEMT和HD-GIT器件在过电流应力下的瞬态电热行为。分析重点关注电子迁移率、电场分布和整个应力事件期间的温度变化。图8展示了两种器件结构。
两种器件采用相同的掺杂浓度：p-GaN层掺杂浓度为1 × 10^19 cm^-3，AlGaN势垒层的掺杂浓度为1 × 10^18 cm^-3
失效机制总结
SP-HEMTs的过电流诱导失效主要归因于电场集中引起的热失控。在过电流应力下，大的漏电流导致电场局部化，特别是在栅极右侧边缘和访问区域附近。这种局部电场导致载流子漂移速度饱和和严重的电子迁移率退化，进而引起局部过热。高温进一步增加了声子
结论
通过实验表征和TCAD仿真，全面分析了SP-HEMT和HD-GIT器件在过电流应力下的失效机制。实验结果表明，两种器件在过电流条件下都经历了导通电阻的急剧增加。尽管两种结构都观察到了热失控，但由于HD-GIT的漏极p-GaN结构，其失效模式依赖于电流脉冲宽度。具体来说，短脉冲和高电流密度
CRediT作者贡献声明
潘朝凡：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理。姜曦：撰写——审阅与编辑，资金获取，数据整理。牛浩：指导。袁松：指导。李向东：指导。尤淑珍：指导。龚晓武：指导。王军：指导。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
姜曦衷心感谢广东省自然科学基金（项目编号2025A1515011926）和中国国家自然科学基金青年科学基金（项目编号62404166）的财政支持。
