宽禁带科技论|电子科技大学研究团队在NiO/β-Ga2O3异质结晶体管退化模型和可靠性加固 ...

NiO/β-Ga2O3异质结的形成在一定程度上缓解了氧化镓p型掺杂缺失这一关键问题，然而，突变的NiO/β-Ga2O3异质结可能带来的非理想因素如界面态和空间电荷区中的缺陷等可能产生严重的陷阱效应，因此，研究NiO/β-Ga2O3异质结器件的退化模型及提出相应的可靠性加固技术有利于氧化镓异质结器件的进一步发展。

本工作基于图1(a)所示的氧化镓HJ-FET器件。在较小的负栅偏压应力（NBS）下，VGS-IDS曲线在-7.5V到-5V电压区域几乎没有变化，而在-10V到-7.5V区域，IDS电流受脉冲影响而降低，但随着恢复时间（tr）的增加的进行，在tr=1000s时VGS-IDS曲线逐渐恢复到初始值，如图1(b)所示。而更高的栅应力导致转移特性的亚阈值区和线性区电流在NBS后增加，而关态区（-10V<VGS<-9V）的电流几乎没有发生变化。值得注意的是整个转移特性曲线随着tr的增加不再发生明显的恢复，如图1(c)所示。当NBS持续时间增长时，VGS-IDS曲线逐渐负向漂移，并且饱和电流明显增加，在tr=2000s时未发生恢复过程，产生了几乎永久性的退化现象，如图1(d)所示。基于此，提出了一个界面偶极子电离模型，异质结在电场作用下，界面偶极子被电离，产生的电子和空穴分别与空间电荷区电离施主和受主复合。

基于界面偶极子电离模型，提出一种电热老化技术（Electrothermal Aging, ETA），核心思想是在一定应力温度和电压下处理一定的时间以消除器件内部的永久性退化缺陷，最终达到提升器件可靠性的目的。ETA过程种VTH变化逻辑是先永久性退化的负向漂移，再出现可恢复性退化的第二过程，如图2(a)所示。通过使用时间常数谱法来研究负责不稳定过程的界面偶极子，存在两个电离峰，如图2(b)所示。与30°C至120°C ETA期间的器件相比，ETA技术处理后器件的∆VTH波动的显著降低，如图2(c)所示。值得关注的是，ETA后器件在极高温的NBTI表现出前所未有的稳定性，如图2(d)所示。在200°C，随着应力时间的增加到1000s，HJ-FET的VGS-IDS曲线非常稳定只发生了极小的漂移。我们的工作证明了β-Ga2O3异质结器件经ETA技术处理后在极端环境中高可靠性工作的巨大潜力，打破了氧化镓功率器件不适合高温大功率应用的限制。

该研究分别以《Experimental investigation on the instability for NiO/β-Ga2O3heterojunction-gate FETs under negative bias stress》为题发表在《Journal of Semiconductors》，以《Realizing High Stability of Threshold Voltage in NiO/β-Ga2O3 Heterojunction-Gate FET Operating up to 200◦C by Electrothermal Aging Technology》为题发表在微电子领域权威期刊《IEEE Transactions on Electron Devices》上，电子科技大学蒋卓林均为论文的第一作者，电子科技大学罗小蓉教授和中国科学技术大学徐光伟/周选择分别为论文的共同通讯作者。