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  在正向高应力实验中,考虑到本征HEMT结构二极管阳极和阴极之间的最高正向电压只能为HEMT结构二极管的内建势,对于常规HEMT结构二极管内建势为1.34eV,对于F处理HEMT结构二极管内建势为1.98eV。所以在选择高正向应力的电压时,应该考察超过内建势的电压。所施加的应力为栅极为3.5V,欧姆接触源极/漏极接地。在这个应力条件下,栅下2DEG到达饱和值,大量的电子从沟道内流过势垒层到达栅极,应力时间为6000秒。
栅极电压为3.5V时,常规HEMT结构二极管和F处理HEMT结构二极管栅极电流6000秒内变化曲线  
图1 栅极电压为3.5V时,常规HEMT结构二极管和F处理HEMT结构二极管栅极电流6000秒内变化曲线
 
  图1为栅极正向偏压3.5V高应力条件下,常规HEMT结构二极管和F处理二极管6000秒内栅极电流变化曲线。从图上可以看出,常规HEMT结构二极管的栅极电流几乎没有呈现出固定的退化规律。而F处理HEMT结构二极管的栅极电流则有一个稳定的上升过程。在最初的1000秒的时间内,电流的增加并不明显,维持在初始状态处附近的值。在1000秒到2000秒的时间段,有一个明显的增加,而从2000秒到6000秒的时间段内,栅极电流增长的幅度减小,栅极电流仍有一个缓慢的增加趋势。
HEMT结构二极管输出电压在10000秒变化曲线  
图2 有源电阻和HEMT结构二极管串联结构测量HEMT结构二极管输出电压在10000秒变化曲线
 
  图2给出的是使用有源电阻和HEMT结构二极管串联结构测量HEMT结构二极管输出电压在10000秒内的变化情况。采用二极管与串联浮空栅的方法来研究大偏置下的肖特基二极管的可靠性,可以把原来直接二极管与电源相连的方式的两个输出监控变成三个输出监控。除了可以测量得到器件的电流之外,还可以从第三个测量输出端,也就是串联处的电极读出二极管的输出电压。由于电阻的串联关系,可以通过一个简单的线性关系得到本征二极管的内建势,从而得到肖特基接触的势垒高度。这种方法可以在应力过程中持续的读出势垒高度的变化,避免了直接连接测量法只能通过正向电流提取势垒高度。而且,一些表面处理后的增强型器件,如F处理,使用正向电流提取的方法不能得到正确的势垒高度,因为此时正向电流已经不再是TE模型预测的。用串联浮空栅结构测量的方法则不受影响,这对实时监控二极管的电特性是非常有效和深入的。
 
  对串联结构加的电压为3.5V以保证二极管两端的电压超过内建势。Vout端输出的电流为本征二极管和寄生HEMT的源漏极的共同电压,在总偏压3.5V不变的情况下,寄生HEMT和有源电阻都处于自身的线性区,因此寄生HEMT和有源电阻的分压固定。Vout的变化情况即是HEMT结构肖特基二极管内建电势的变化,而EF-E0的变化在2DEG饱和之后变化非常很小,因此可以认为Vout的变化情况代表了肖特基势垒高度的变化。在开态应力加载过程的50s,100s,500s,1000s,2000s,5000s,10000s间隔记录Vout的值。从图2上可以看到到,常规HEMT结构二极管的变化不明显,而F处理HEMT结构二极管Vout随着应力时间的增加下降明显。从未加应力之前的2.31V到应力结束后的2.02V,10000秒正向应力后的肖特基势垒高度下降了0.29V。在应力的0~1500s段,肖特基势垒的变化非常显著,1500s后退化缓慢且有饱和的趋势。肖特基势垒变化的效果是不可恢复的,在应力撤销后,势垒高度无论经过多久的恢复时间都无法恢复到未加应力之前的肖特基势垒高度。
不同电流应力下,有源电阻和HEMT结构二极管串联结构测量Vout随时间的变化曲线  
图3 不同电流应力下,有源电阻和HEMT结构二极管串联结构测量Vout随时间的变化曲线(a)F处理HEMT结构二极管(b)常规HEMT
 
表1 不同实测电流所对应的电流密度及外加电压
不同实测电流所对应的电流密度及外加电压  
  加载在HEMT结构二极管栅极和源/漏极间的电压不会一直加在本征HEMT结构二极管的阳极和阴极上,在电压超过内建势后,本征二极管上的电压不会是外加电压值,而总是内建势的值。超过内建势的电压会加在寄生HEMT的源极和漏极之间。因此持续地增加的正向栅压电压应力,实际上会转换为电流应力。常规HEMT的栅极和源/漏极电压在超过1.50V,F处理HEMT结构二极管在超过2.00V后,本征HEMT结构二极管的阳极和阴极的电压已经为内建势的值。因此我们对有源电阻与HEMT结构二极管串联结构施加不同电流应力,在10000秒内观察Vout变化情况。图3所示的常规HEMT结构二极管和F处理HEMT结构二极管Vout的变化曲线,电流应力为5mA,10mA,15mA,20mA,25mA,30mA,40mA。表1给出了各个电流应力对应的电流密度和为维持电流应力所需加载的VDD值。电流应力从5mA到40mA,无论对于常规HEMT还是F处理HEMT结构二极管,在加本征二极管的阳极和阴极上的电压已经超过各自对应内建势值,因此电流大小主要由串联结构的偏置决定。从图上可以看到,常规性HEMT结构二极管的势垒高度在不同电流条件下仍然表现得比较稳定。而F处理HEMT结构二极管的势垒高度依据不同的电流应力表现出不同的变化趋势。5mA,10mA,15mA电流应力下的肖特基势垒高度没有变化,而从20mA到40mA的电流应力下,F处理HEMT结构二极管的肖特基势垒高度有明显下降趋势。电流越大,下降的数值越大,且在越短时间内下降到近饱和的肖特基势垒高度值。40mA的电流应力下,2000秒时肖特基势垒高度下降了0.32eV,从2000秒到10000秒时间段肖特基势垒高度继续下降,但是下降幅度已经明显缓和,只在2000s基础上下降了0.1eV。
在15mA电流应力下的Vout变化曲线  
图4 改变有源电阻和HEMT结构二极管串联结构的串联电阻值,在15mA电流应力下的Vout变化曲线
 
  为了进一步确认是电流因素而非电压因素导致F处理HEMT结构二极管的势垒高度发生变化,我们改变有源电阻和HEMT结构二极管串联结构的串联有源电阻值,增大有源电阻的阻值以减小流经F处理HEMT结构二极管的电流密度。图4所示的是改变有源电阻和HEMT结构二极管串联结构的串联电阻值,在15mA电流应力下的Vout变化曲线,从图中可以看到为了达到15mA的电流值,串联电路的总偏压需要增加到4.13V,Vout也从2.13V增大到了2.40V。Vout变大的原因是Vout是本征HEMT结构二极管内建势和寄生HEMT上的电压总和。在15mA的电流偏置下,F处理HEMT结构二极管的势垒高度在10000s内未有明显变化,因此可以判断,在15mA的电流下,即使F处理HEMT结构二极管的偏置在4V以上,也不会造成HEMT肖特基势垒高度发生漂移。
开态应力后肖特基反向电流变化情况  
图5 开态应力后肖特基反向电流变化情况
 
  图5给出的是10000s开态应力后肖特基反向电流变化情况,从图中可以看到,无论常规HEMT结构二极管还是F处理HEMT结构二极管,栅反向漏电都有退化现象,常规二极管的反向漏电增加了近一个数量级,而F处理HEMT结构二极管的电流增加量比常规HEMT结构二极管要稍微高。从图中可以观察到的另一个现象是,尽管F处理可以减小HEMT结构二极管的反向电流,减小的量级从1个数量级到3个数量都曾经在文献中报道过。但是在从0V到HEMT器件的阈值电压这个范围来看,F处理后的HEMT结构二极管的反向漏电实际上是大于常规HEMT结构二极管。F处理HEMT的阈值电压更高,因此F处理HEMT栅下区域的电场将更快的从零偏值到达饱和电场值,因此在这个区域内的电流要大于常规HEMT。随着饱和电场的到达,F处理HEMT的反向电流也饱和。常规HEMT的反向饱和电场更大且阈值更负,所以经过比F处理HEMT更大的电压后,电流最终大于F处理HEMT结构二极管。

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