近日，电子科技大学罗小蓉教授、中国科学技术大学徐光伟特任研究员联合研究团队在NiO/β-Ga2O3异质结晶体管退化模型和可靠性加固技术方面取得最新进展。相关研究以“Experimental investigation on the instability for NiO/β-Ga2O3 heterojunction-gate FETs under negative bias stress”为题，发表于Journal of Semiconductors期刊，电子科技大学蒋卓林博士为论文的第一作者，电子科技大学罗小蓉教授和中国科学技术大学徐光伟研究员为论文的共同通讯作者。
研究内容与图文
NiO被证明非常适合β-Ga2O3功率器件，但突变的NiO/β-Ga2O3异质结可能会产生严重的陷阱效应，这些效应包括在负偏压应力下阈值电压（VTH）和电流的退化，严重影响器件的运行与使用。电子科技大学和中国科学技术大学联合实验研究了NiO/β-Ga2O3异质结栅场效应晶体管(HJ-FET)在不同栅极应力及应力时间下的不稳定性机制，为研究NiO/β-Ga2O3异质结器件在电力电子应用中的可靠性提供了重要的理论指导。
图1 (a) NiO/β-Ga2O3 HJ-FET截面示意图及其制造过程；(b)单脉冲；(c)延时的多脉冲实验流程
本文按照图1(a)所示的实验步骤制造了NiO/β-Ga2O3异质结栅场效应晶体管，然后分别进行如图1(b)所示的应力前后测试和图1(c)所示的延时多脉冲应力测试。
如图2(a)所示，在VG,Str=-5V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，但在tr=1000s时VGS-IDS曲线逐渐恢复到初始值。而VGS-IGS曲线也可观察到类似现象，如图2(b)所示。图2(c)提取的ΔVTH显示在NBS后出现增加，随着tr的增加而逐渐降低，并在应力撤销tr=1000s后，VTH几乎恢复到初始值。图2(d)表明，IGS,off在VG,Str=-5V时下降了84%，然后逐渐恢复到其初始值。此外，VG,Str=-10V导致IGS,off下降约87%。从图3(a)可知，在高VG,Str应力下器件的退化机制发生了变化，在VG,Str=-20V时，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。与NBS导致∆VTH增加相比,高的VG,Str应力导致∆VTH减少，并发生了近乎永久性的负向退化，而更高的VG,Str导致更大的永久性负向漂移，如图3(b)所示。
图2 单脉冲实验。(a) VGS-IDS；(b) VGS-IGS变化；(c) ΔVTH；(d) IGS,off退化情况
图3 单脉冲实验。(a) VG,Str=-20V下的VGS-IDS变化；(b)在VG,Str=-15V/-20V应力条件下提取的ΔVTH
本研究还在另一个具有相同结构的未经任何电应力处理的NiO/β-Ga2O3 HJ-FET上进行了长时间ts的NBS实验。在tr=2000s时与刚完成NBS ts=1000s时的曲线几乎重合，表明没有发生恢复过程，如图4(a)所示。提取的∆VTH表明：当ts<20s时，器件特性相对稳定并未开始漂移。但当ts≥20s时，VTH开始负向移动，并最终负向漂移约2V，同时在tr=2000s时没有恢复迹象出现，如图4(b)所示。
图4 ts增加的NBS实验。(a) VGS-IDS变化；(b)提取的ΔVTH
本论文提出了一个界面偶极子电离模型来解释HJ-FET在NBS条件下几乎永久性衰退的机理。如图5(a)所示，由于NiO/β-Ga2O3异质结界面能带不连续，界面偶极子的存在抵消了空间电荷区（SCR）中电离杂质产生的内部电场。较大的VG,s在界面处产生极大的电场，导致一些界面偶极子电离成电子和空穴，如图5(b)所示。在应力电场作用下，电子和空穴分别向β-Ga2O3和NiO方向移动，与SCR中的电离电荷复合，导致SCR变薄，导通电阻降低，VTH负移且不可恢复，如图5(c)所示。
图5 NiO/β-Ga2O3 HJ-FET的退化机制示意图。(a)初始状态；(b) NBS时；(c) NBS后
本文研究了在不同应力电压和应力时间下，应力对NiO/β-Ga2O3 HJ-FET电学特性的影响。在较低的VG,s和ts值下，NiO陷阱会捕获电子，从而减少栅极注入电子，导致漏电流降低。幸运的是，经过较长的tr后，它会完全恢复。随着应力电压或应力时间的增加，界面偶极子的电离会扩大电流传导路径，导致电流增加，VTH负移。这对于NiO/β-Ga2O3异质结来说是一种近乎永久性的退化，在工程中应予以考虑。
