【氮化镓】p-GaN HEMTs空穴陷阱低温冻结效应

这篇文章是关于低温条件下p-GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）栅极漏电的研究。文章通过电容深能级瞬态谱（C-DLTS）测试和理论模型分析，探讨了空穴陷阱对栅极漏电电流的影响。以下是对文章的总结：

摘要（Abstract）

文章摘要指出，在低温条件下，p-GaN HEMTs表现出一种冻结陷阱效应，导致空穴载流子被捕获在长寿命状态中，从而影响载流子传输。通过C-DLTS测试和基于理论模型的分析，发现在低温条件下，冻结的空穴陷阱会将栅极漏电机制从Poole-Frenkel（PF）发射转变为陷阱辅助隧穿（TAT）。理解空穴陷阱对栅极漏电的作用对于准确预测设备性能和为低温应用优化性能至关重要。

引言（Introduction）

引言部分讨论了GaN基HEMTs在低温条件下的应用潜力，包括其在低温功率电子学、超导、量子计算和航天器等领域的应用。文章强调了低温GaN功率HEMTs在提高功率转换效率、减少系统重量和尺寸方面的潜力。同时，指出了低温条件下对设备行为和可靠性的新挑战。

文献回顾（Literature Review）

文章回顾了相关的研究工作，包括GaN HEMTs在低温条件下的载流子传输机制，以及空穴陷阱状态对栅极漏电电流的影响。

实验方法（Experimental Methods）

• 测试设备: 文章使用了商业化的HEMTs进行实验，这些设备具有基于GaN-on-Si平台的肖特基型p-GaN栅。
• C-DLTS测试: 通过C-DLTS测试来确定p-GaN层中空穴陷阱的能量水平和发射时间常数。

结果（Results）

• 空穴陷阱分析: 通过C-DLTS测试，确定了两个主要的空穴陷阱，其能量水平分别为EV + 0.49 eV (H1)和EV + 0.81 eV (H2)。
• 栅极漏电特性: 随着温度的降低，栅极漏电电流（IG）表现出与温度无关的特性，这表明了与冻结空穴陷阱相关的主要漏电机制的变化。

讨论（Discussion）

• 漏电机制分析: 文章详细分析了栅极漏电机制，包括Poole-Frenkel发射和陷阱辅助隧穿过程。
• 温度依赖性: 在200 K以上的温度时，IG遵循PF发射过程，而在200 K以下，IG表现出与温度无关的特性，表明了TAT过程的主导作用。

结论（Conclusion）

文章得出结论，低温条件下空穴陷阱对p-GaN HEMTs栅极漏电的影响显著。通过C-DLTS测试和漏电电流拟合，揭示了冻结陷阱效应，并通过分析栅极漏电电流机制，为低温条件下p-GaN HEMTs的研究提供了宝贵的见解。

图1: Schottky型p-GaN栅HEMTs的结构示意图、能带图和栅极堆叠区域的等效电路

• 图1(a): 展示了p-GaN HEMTs的示意图，强调了其结构特点。
• 图1(b): 通过能带图展示了在不同偏压条件下，p-GaN层和栅极之间的电子和空穴的行为。
• 图1(c): 说明了在低温条件下空穴陷阱的冻结过程，这一过程对栅极漏电有重要影响。

图2: p-GaN栅HEMTs的传输特性、栅极漏电、输出和栅极电容特性

• 图2(a): 展示了传输特性和栅极漏电特性，反映了不同栅极电压下的漏电行为。
• 图2(b): 输出特性表明了HEMTs的放大行为。
• 图2(c): 栅极电容特性揭示了栅极电压变化对电容的影响，这对于理解栅极漏电机制至关重要。

图3: C-DLTS谱和C-DLTS测试的波形

• 图3(a): 展示了在不同反向填充脉冲偏压下的C-DLTS谱，这些谱图揭示了p-GaN层中空穴陷阱的能级和发射时间常数。
• 图3(b): 展示了H1和H2空穴陷阱的发射时间常数随温度变化的情况，这有助于理解低温下陷阱效应对栅极漏电的影响。

图4: IG-VG特性和传输特性，以及不同温度下提取的VTH和IG

• 图4(a): 展示了从400 K到200 K温度范围内IG随温度下降的趋势。
• 图4(b): 当温度继续下降至175 K至15 K时，IG表现出与温度无关的特性，这表明漏电机制的变化。
• 图4(c): 展示了从400 K到15 K测试的传输特性，反映了温度对器件性能的影响。
• 图4(d): 提取了不同温度下的阈值电压VTH和IG，这些数据对于理解温度对器件特性的影响至关重要。

图5: PF发射图和TAT图，以及PF发射和TAT过程的能带图说明

• 图5(a): PF发射图显示了IG随温度和电场强度变化的关系，揭示了PF发射过程。
• 图5(b): PF截距图揭示了陷阱能级，这对于理解PF发射机制至关重要。
• 图5(c): TAT图展示了在低于200 K的温度下，IG与电场强度的关系，表明了TAT过程的主导作用。
• 图5(d): 通过能带图说明了PF发射和TAT过程，有助于理解不同漏电机制的物理基础。

图6: 与实验数据比较的栅极漏电电流模型

• 图6(a): 在300 K和200 K时，展示了TE、PF发射和TAT组分的IG-VG曲线拟合，与实验数据点吻合良好。
• 图6(b): 在175 K和15 K时，同样展示了IG-VG曲线拟合，反映了低温下漏电机制的变化。