图1 关态漏阶梯应力示意图
对器件施加关态漏阶梯应力，器件阈值电压Vth、最大跨导Gmmax、最大漏电流IDmax、栅泄漏电流IG随栅漏间阶梯应力VDGstress的变化情况如图2所示，图中定义栅漏间应力电压等于30V为临界电压Vcrit。应力过程中，源端接地，栅源间应力电场影响可以忽略，随着漏端应力电压的增大，栅漏间有源区电场增强。从图3可以看出，器件阈值电压Vth、最大跨导Gmmax、最大漏电流IDmax随应力变化并不明显，栅泄漏电流IG先减小，当栅漏间应力电压VDGstress大于临界电压Vcrit时，栅泄漏电流IG开始增大。器件阈值电压Vth的变化过程与栅泄漏电流IG相似，随着漏端应力电压的增大，阈值电压Vth先减小，当栅漏间应力电压VDGstress大于临界电压Vcrit时，阈值电压开始增大。
图2 关态漏阶梯应力下器件阈值电压Vth、最大跨导Gmmax、最大漏电流IDmax、栅泄漏电流IG变化情况
图3 关态栅阶梯应力下器件阈值电压Vth、最大跨导Gmmax、最大漏电流IDmax、栅泄漏电流IG变化情况
上述现象表明，关态漏阶梯应力过程中，同时存在着陷阱对电子的俘获效应和逆压电极化效应。当栅漏间应力电压VDGstress小于临界电压Vcrit时，栅漏间的应力电场使得栅极电子隧穿到AlGaN势垒层，被AlGaN势垒层中的陷阱俘获，在栅漏间靠近栅一侧形成“虚栅”，使得部分沟道的二维电气耗尽，导致阈值电压Vth向正向漂移，栅泄漏电流IG减小。随着应力电压的不断增大，逆压电效应导致AlGaN势垒层不断膨胀，张应变增强，当栅漏间应力电压VDGstress大于临界电压Vcrit时，应变达到临界值，应变通过AlGaN势垒层晶格弛豫得到释放，在AlGaN势垒层中产生晶格缺陷，形成栅泄漏电流通道，使得栅泄漏电流IG增大。另一方面，这些缺陷释放的电子多于俘获的电子，导致沟道中二维电子浓度增大，使得阈值电压Vth向负向漂移。
关态漏阶梯应力前后器件转移特性和栅泄漏电流特性的变化情况如图4所示，从图4(a)可以看出关态漏阶梯应力对器件转移特性的影响很小，VD=1V情况下，跨导最大值Gmmax略微增大，而最大漏电流IDmax基本保持不变，一方面这是由于AlGaN势垒层中的陷阱在释放俘获的电子，另一方面逆压电极化效应在AlGaN势垒层中造成的缺陷产生了新的电子。图3.13(b)所示态漏阶梯应力后器件栅泄漏电流增大，逆压电极化效应在AlGaN势垒层中产生缺陷形成了栅泄漏电流路径。
图4 关态漏阶梯应力后器件 (a)转移特性和(b)栅泄漏电流特性的变化情况
图5给出了关态栅阶梯应力后器件静置24小时的转移特性和栅泄漏电流特性的变化情况。从图5(a)可以看出，静置24小时后，VD=1V情况下，器件跨导最大值Gmmax不断增大，最大漏电流IDmax也略微增大。图5(b)所示器件静置24小时后栅泄漏电流也在不断增大。从关态栅阶梯应力前后、静置24小时器件转移特性和栅泄漏电流的变化情况可以看出，应力结束后，陷阱开始释放俘获的电子，而且陷阱对电子的释放过程需要经历一段时间。
图5 关态漏阶梯应力后器件静置24小时 (a)转移特性和(b)栅泄漏电流特性的变化情况