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最近东南大学孙伟锋、刘斯扬、张龙课题组提出了针对P型沟道氮化镓晶体管的衬底偏置效应的研究，为氮化镓全集成电路可靠性研究提供新思路。目前为止，国际上对氮化镓衬底偏置效应的研究均为N型沟道，未涉及P型沟道。本文作者首先通过准静态测试，对比了N型和P型沟道晶体管在不同衬偏电压下输出电流的变化，测试结果见图1(a)。N型晶体管在正衬偏下电流不变、负衬偏下电流降低，这和以往的报道相符；而P型晶体管在正衬偏下电流降低，负衬偏下电流增大，这种电流增大的现象是N型晶体管中没有出现的。本文作者分析认为，电流的变化源于沟道中垂直电场线的变化：指向沟道的垂直电场线会诱发更多电子（更少空穴），而从沟道指出的垂直电场线会诱发更少电子（更多空穴）。衬偏电压通过背栅和空间电荷两方面的因素影响垂直电场线。正衬偏电压通过背栅形成向上的垂直电场，并且吸引电子从二维电子气（2DEG）和欧姆接触注入缓冲层，形成负空间电荷。N型晶体管中，负空间电荷可以完全吸收向上的垂直电场线，因此沟道电子密度和输出电流不受影响。而在P型晶体管中，二维电子气被pGaN耗尽，欧姆接触和二维电子气之间被pGaN隔开，无法提供电子，因此负空间电荷无法屏蔽背栅的影响，空穴密度和输出电流降低。负衬偏电压通过背栅形成向下的垂直电场，同时促使电子和空穴注入。N型晶体管仍然形成负空间电荷，和背栅一起降低电流密度。P型晶体管虽然形成正空间电荷，但是对垂直电场的影响弱于背栅，因此输出电流被背栅引起的向下的垂直电场线增大。进一步地，本文作者使用瞬态测试验证上述分析。首先在P型晶体管的衬底施加正负电压应力，然后突然撤去，观测电流的变化。突然撤去正衬偏电压时，输出电流增大，这证明了负空间电荷的存在；突然撤去负衬偏电压时，输出电流减小，这证明了正空间电荷的存在，而且电流的恢复过程并不单调，证明两种载流子同时参与空间电荷的形成。![]()
图1(a) 氮化镓晶体管的输出电流在不同衬偏电压下的变化，(b)、(c) 氮化镓晶体管在(b)正衬偏和(c)负衬偏下垂直电场分布示意图，(d)、(e) P沟道晶体管在撤去(d)正衬偏和(e)负衬偏后输出电流的变化。
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