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半开启状态下射频MIS-HEMT和肖特基HEMT阈值电压偏压温度不稳定性研究
Threshold Voltage Bias Temperature Instability of RF MIS-HEMTs and Schottky HEMTs Under Semi-On State Stress
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 阈值电压不稳定 AlGaN/GaN MIS - HEMTs 半导通状态 热电子与空穴 栅介质优化 |
语言:
中文摘要
本研究全面探究了半导通状态条件下AlGaN/GaN金属 - 绝缘体 - 半导体高电子迁移率晶体管（MIS - HEMT）的阈值电压（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}\text {)}$ </tex-math></inline-formula>不稳定性。研究了不同温度和漏极偏置的影响。在半导通偏置条件下，对于采用10纳米原位SiN栅极电介质的MIS - HEMT，观察到高达 - 1.0 V的显著负<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>漂移，而肖特基HEMT的<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>漂移可忽略不计。通过对源极接地和浮空的MIS - HEMT进行栅极电流分析表明，在半导通状态下，热电子会诱发空穴产生。技术计算机辅助设计（TCAD）模拟证实，MIS - HEMT沟道上的高电场在半导通状态下会诱发热电子和空穴产生；热电子和空穴与栅极SiN/AlGaN界面态的动态相互作用导致了MIS - HEMT<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {th}}$ </tex-math></inline-formula>的偏置温度不稳定性（BTI）。这些发现表明，优化栅极电介质及其与顶部势垒的界面对于提高射频（RF）MIS - HEMT的半导通状态稳定性至关重要。
English Abstract
This study comprehensively investigates the threshold voltage ( V_ th ) instability of AlGaN/GaN MIS-HEMTs under semi-bioscon state conditions. The effects of various temperatures and drain biases are studied. Under semi-bioscon bias conditions, a significant negative V_ th shift up to −1.0 V is observed in MIS-HEMTs with 10-nm in-situ SiN gate dielectrics, whereas Schottky HEMTs exhibit a negligible V_ th shift. A gate current analysis, comparing the MIS-HEMT with the source grounded versus floating, suggests that hot electrons induce generation of holes under the semi-on state. TCAD simulations corroborate that the high electric field across the channel of the MIS-HEMT induce hot electrons and hole generation under the semi-bioscon state; dynamic interaction of hot electrons and holes with the gate SiN/AlGaN interfacial states leads to bias temperature instability (BTI) of the V_ th of the MIS-HEMT. These findings suggest that optimizing the gate dielectric and its interface with the top barrier is crucial to improve the semi-bioscon state stability of radio-frequency (RF) MIS-HEMTs.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于AlGaN/GaN MIS-HEMT器件阈值电压稳定性的研究具有重要的技术参考价值。GaN功率器件是我们光伏逆变器和储能变流器中的核心开关元件，其可靠性直接影响系统的长期稳定运行和转换效率。
该研究揭示的半导通状态下阈值电压漂移问题值得高度关注。在实际应用中，我们的逆变器和储能系统频繁经历PWM开关过程，器件会反复经历类似的半导通状态。研究发现MIS-HEMT结构在此工况下出现高达-1.0V的阈值电压负漂移，这将导致器件导通特性改变，增加开关损耗，影响系统效率，甚至可能引发热失控等可靠性问题。这对我们在高频、高温环境下运行的产品（如组串式逆变器、液冷储能系统）尤为关键。
论文通过TCAD仿真揭示的物理机制——热电子诱发空穴产生以及与栅介质界面态的相互作用——为我们优化器件选型和驱动策略提供了理论依据。研究指出优化栅介质及其与AlGaN势垒层的界面是提升稳定性的关键，这为我们与上游芯片供应商的技术合作指明了方向。
从应用角度看，建议我们在器件选型时需重点评估供应商的MIS-HEMT产品在半导通状态下的BTI特性，必要时可考虑Schottky HEMT等替代方案。同时，可通过优化驱动电路设计、缩短半导通时间、改善热管理等系统级措施来缓解该问题。这项研究提醒我们，在追求GaN器件高频化、高功率密度的同时，必须建立更全面的可靠性评估体系，确保25年以上的产品生命周期要求。