Investigation of anomalous positive bias temperature instability in GaN MIS-HEMTs with PEALD SiNx gate dielectrics

材料科学 阈值电压 原子层沉积 光电子学 量子隧道 电介质 负偏压温度不稳定性 俘获 晶体管 栅极电介质 电子 泄漏(经济) 宽禁带半导体 活化能 离解(化学) 不稳定性 基质(水族馆) 凝聚态物理 深能级瞬态光谱 氢 电子迁移率 薄膜晶体管 偏压 普尔-弗伦克尔效应 化学气相沉积 氮化镓 高-κ电介质 图层(电子) 分子物理学
作者
Kaiyu Wang,Mengdi Li,Sheng Zhang,Wei Ke,Jiejie Zhu,Jiaqi Guo,Xiaoqiang He,Ruizhe Zhang,Jianchao Wang,Zhuanli Ma,Qingyang Dong,Yankui Li,Sen Huang,Xinhua Wang,Xinyu Liu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:127 (19) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0288670
摘要

In this work, a “turn-around” behavior in the threshold voltage (VTH) shift of GaN metal–insulator–semiconductor (MIS) high electron mobility transistors on Si substrate under positive gate bias stress is observed with increasing temperature, and the physical mechanism is systematically analyzed. At room and low temperatures, the positive VTH shift dominated by the electron trapping and tunneling effects is well known. However, the VTH exhibits an unexpected negative shift at high temperatures, and its underlying mechanism remains unclear. This work attributes the phenomenon to the dissociation of Si–H bonds and the generation of positive charges within the plasma-enhanced atomic layer deposition SiNx, confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy. Meanwhile, a physical model involving hydrogen migration and release is adopted to explain the abnormal negative VTH shift. The activation energy of the negative VTH shift is estimated to be 0.32 eV. The identified mechanism of VTH shift can offer a pathway to improve the reliability of MIS devices.

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