利用雙脈沖I-V測試方法對GaN基HEMT器件的電流崩塌特性進行了研究，測試中柵壓和漏壓信號波形示意圖如圖1所示，其中VdQP和VgQP分別為漏極和柵極靜態工作點電壓，本文約定將特定靜態工作點偏置下脈沖測試稱為(VdQP，VgQP)態脈沖測試。研究了多種靜態工作點偏置下的脈沖曲線，漏極測試電壓從0V掃描至10V，掃描步長為0.5V，而柵極測試電壓從關態-6V變化至2V，步長為1V。測試中使用的方波脈沖信號周期為100μs，測試脈沖寬度為500ns，脈沖上升沿和下降沿時間均為150ns。另外，本文通過器件輸出曲線線性區擬合提取出了導通電阻Ron值，對0-1V漏壓范圍內輸出曲線線性擬合得出靜態和動態導通電阻，柵極測試電壓偏置在0V，并通過導通電阻和飽和輸出電流的歸一化退化量衡量了器件的表面鈍化效果。
圖1 輸出曲線脈沖測試電壓波形示意圖
在(0V,0V)和(-8V,10V)兩種靜態偏置條件下測試了AlN鈍化器件的脈沖輸出曲線，如圖2所示，脈沖測試條件下飽和輸出電流高于直流測試值，這是因為脈沖測試中器件自熱效應減弱。靜態工作點為(0V,0V)時，器件柵極和漏極都無電壓應力，可以認為對器件進行了“準靜態”測試，則直流測試與其之間的輸出電流差異可以認為是器件自熱效應導致的退化。柵壓為2V，漏壓為10V時直流和(0V,0V)態輸出電流值對比得出，藍寶石襯底上異質結的自熱效應使0.5μm器件的輸出電流降低了約22%。與(0V,0V)態脈沖電流相比，(-8V,10V)態脈沖測試條件下電流崩塌使輸出電流降低了約6%。在氮化物電子器件中，PECVD沉積SiN是最常用的鈍化層材料，本研究將其與PEALD沉積AlN鈍化層材料進行了對比，柵壓為2V時的直流與脈沖輸出曲線如圖3所示。在SiN鈍化器件中，自熱效應的消除同樣使(0V,0V)態脈沖電流高于直流測試值，自熱效應導致的輸出電流退化量約為20%，說明表面鈍化材料對器件散熱影響不大。但是，PECVD-SiN鈍化器件的(-8V,10V)態脈沖測試電流與“準靜態”測試相比降低了約26%，已經低于直流測試輸出電流值。PECVD沉積SiN鈍化器件的電流崩塌量遠遠大于PEALD沉積AlN鈍化器件測試結果，突顯了PEALD沉積AlN材料在氮化物器件表面鈍化方面的優勢。
圖2 (a)(0V,0V)態和(b)(-8V,10V)態脈沖測試條件下PEALD-AIN表面鈍化HEMT器件的直流與脈沖輸出曲線
圖3 (a)PEALD沉積AlN與(b)PECVD沉積SiN鈍化HEMT器件的電流崩塌對比結果
GaN基HEMT器件的電流崩塌由柵-漏溝道區表面的“虛柵”引起，當柵極相對于漏極處于低電勢時，柵電極的電子在電場作用下會沿著勢壘層表面向漏極漂移，流經表面態時被俘獲導致勢壘層表面形成耗盡區，耗盡區的存在類似于外加了一個“虛柵”，導致電流崩塌。如此說來，脈沖測試中電流崩塌量的大小與“虛柵”建立的程度有關，即取決于柵-漏之間電勢差的大小，所以本文進一步研究了柵極和漏極靜態工作點電壓對器件電流崩塌的影響。分析過程中，為了消除器件自熱效應的影響，沒有采用直流電流作為參考值，而是采用(0V,0V)態測試作為參考。圖4給出了柵極靜態工作點電壓對HEMT器件電流崩塌的影響，漏極靜態工作點保持在0V不變，柵極靜態工作點從0V減小到-12V，柵極直流電壓偏置在0V。以(0V,0V)態脈沖測試最大電流作為基準對輸出曲線進行了歸一化處理，隨著柵極靜態工作點減小，電流崩塌現象更加嚴重，這是因為隨著負柵壓應力增大，柵-漏之間電勢差的提高使柵極流出的表面電流增大，更多的電子填充表面態，表面耗盡區展寬，虛柵效應和電流崩塌增大。電流崩塌量定義為漏壓為10V時輸出電流減小的百分比，柵極靜態工作點電壓在-8V以內時，電流崩塌量小于5%，且隨靜態工作點電壓變化不大，這是因為在有表面態存在的情況下柵-漏表面漏電遵循空間電荷限制效應模型，柵極電子不能克服表面勢壘，即不能提供充足的電子填充表面態，“虛柵”無法有效形成，電流崩塌不明顯。隨著負柵壓應力增大，柵極電子克服表面勢壘形成遵循指數規律的表面漏電，電流崩塌量隨柵極靜態工作點電壓的減小迅速增大。但是，柵極靜態工作點電壓減小到-12V時，電流崩塌量小于15%，依然低于自熱效應的影響。
圖4 極靜態工作點電壓對HEMT器件(a)電流崩塌曲線和(b)崩塌量的影響
漏極靜態工作點電壓對HEMT器件電流崩塌的影響如圖5所示，柵極靜態工作點電壓固定在-8V，柵極直流偏置電壓為0V。與上述情況類似，隨著漏壓應力的增大，電流崩塌效應更明顯。漏極靜態工作點電壓小于10V時，空間電荷限制效應使器件表面漏電和電流崩塌量很??；靜態工作點高于10V后，柵極電子克服表面勢的束縛，呈指數規律變化的表面漏電使電流崩塌量隨著漏極靜態工作點電壓升高而迅速增大，并在VdQP為25V時電流崩塌量與自熱效應相當；漏極靜態工作點繼續增大達到30V時，表面漏電進入高場區，表面電子速度區域飽和，漏電流曲線變得平緩，電流崩塌量與漏極靜態工作點電壓之間的相關性減弱。
圖5 漏極靜態工作點電壓對HEMT器件(a)電流崩塌曲線和(b)崩塌量的影響
除了電流崩塌量，動態導通電阻退化也是衡量器件電流崩塌現象的重要指標。本文通過對輸出曲線線性區(漏壓0-1V)擬合提取導通電阻Ron，脈沖測試中柵極靜態工作點電壓為-8V，柵壓直流偏置為0V。為了消除自熱效應的影響，同樣采取“準靜態”(0V,0V)態脈沖測試結果作為參考值，測試中電壓波形示意圖和擬合結果如圖6所示。隨著漏極靜態工作點電壓增大，柵-漏溝道區表面耗盡層寬度更大，在等效電路中可以表示為柵-漏之間加入了額外的串聯電阻，器件動態導通電阻增大，其退化會影響器件的開關速度和關態功耗性能。漏極靜態工作點電壓達到30V時，動態導通電阻退化量小于50%，對于柵-漏間距僅為2.6μm的器件來說，導通電阻的這一退化量是比較小的，這得益于PEALD沉積AlN良好的表面鈍化效果。
圖6 漏極靜態工作點電壓對HEMT器件動態導通電阻的影響