电场调制新型AlGaN/GaN HEMTs器件设计及关键技术

摘要

在功率半导体技术中，AlGaN/GaN HEMTs功率半导体器件是一种备受关注的器件结构。当其应用于高压大功率领域时，击穿电压是一个重要的参数。不同于传统的Si基和SiC基器件，AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿机理十分复杂，可以分为碰撞电离导致的Schottky结雪崩击穿、高栅极泄漏电流引起的击穿、GaN缓冲层泄漏电流引起的击穿和Si衬底上的垂直击穿。针对不同的击穿机理，应采取相应的措施改善AlGaN/GaN HEMTs器件的耐压特性。其中，由B.X.Duan等人提出的电场调制AlGaN/GaN HEMTs器件逐渐成为了一个研究的热点。即通过调制2DEG的浓度分布，进而调制了沟道的电场分布。引入了一个新的电场峰，有效降低了栅边缘的高峰电场，电场分布更加均匀，击穿电压显著增加。本文以电场调制效应为中心，结合仿真设计、建模分析、实验研究和高温开态直流特性测试研究，深入探讨了新型AlGaN/GaN HEMTs器件的性能： （1）首先提出了一种电场调制部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件，并结合P型帽层增强型技术，提出了一种增强型部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件。通过软件仿真，讨论了部分本征GaN帽层长度和厚度的变化对器件击穿特性的影响。通过在AlGaN势垒层的顶部，栅电极到漏电极的漂移区之间引入了部分本征GaN帽层，降低了沟道2DEG的浓度，2DEG的浓度由均匀分布变为阶梯分布。随着部分本征GaN帽层长度的增加，沟道低浓度2DEG区域延长，耗尽区扩展并达到了完全耗尽，电场调制效应逐渐增强，因此部分本征GaN帽层边缘的新电场峰逐渐提高，位置逐渐向漏电极处移动，并且栅边缘的高峰电场逐渐降低，击穿电压逐渐增加；随着部分本征GaN帽层厚度的增加，沟道2DEG浓度降低并饱和，2DEG的浓度梯度增大，而且低浓度的2DEG很容易被完全耗尽，电场调制效应逐渐增强，因此新电场峰逐渐提高，栅边缘高峰电场逐渐降低，击穿电压逐渐增加。与传统AlGaN/GaN HEMTs器件相比，在最优参数条件下，经过仿真可以得出，部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压提高了125%，阈值电压几乎不变，输出饱和电流减小了10%，截止频率几乎不变，最大振荡频率提高了12%。而增强型部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压提高了192%，阈值电压几乎不变，输出饱和电流减小了11%，截止频率几乎不变，最大振荡频率提高了44%。 接着，在完全耗尽和不完全耗尽两种情况下，根据Poisson方程，利用合适的边界条件，建立了部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件在击穿时沟道电势电场分布的二维解析模型。通过与仿真结果之间的对比，讨论了参数的变化对部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件击穿特性的影响，且二者之间的一致性充分证明了该模型的有效性。 然后，对部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件进行了实验研究。在高质量样片的基础上，经过台面隔离、本征GaN帽层刻蚀、源漏电极欧姆接触和栅电极肖特基接触的工艺流程，成功制备了样品。测试表明，传统AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压为378V，输出饱和电流为538mA/mm。当部分本征GaN帽层的厚度为23nm、长度为7μm时，部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压为656V，输出饱和电流为558mA/mm。可以看出，击穿电压提高了74%，输出饱和电流增加了3.7%。Hall测试证明，尽管降低了2DEG的面密度，但是提高了其迁移率。因此，面密度迁移率的乘积提高，输出饱和电流略有增加。 最后，在27℃、90℃、150℃和200℃四个温度下，对器件的高温特性进行了测试研究。传统AlGaN/GaN HEMTs器件的输出饱和电流降低了53%，而部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs器件的输出饱和电流降低了36%。这是由于优化电场分布的同时，相应地优化了热场分布，改善了其热可靠性。 （2）类似地，首先建立了电场调制刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs器件在击穿时沟道电势电场分布的二维解析模型。并通过软件仿真，讨论了刻蚀长度和深度的变化对器件击穿特性的影响。通过刻蚀靠近栅边缘的AlGaN势垒层，降低了该区域的2DEG浓度，使得2DEG的浓度分布出现分区现象。利用电场调制效应，随着刻蚀长度和深度的增加，电场分布更加均匀，击穿电压逐渐增加。 其次，对刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs器件进行了实验研究。测试表明，传统AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压为151V，输出饱和电流为359mA/mm。当刻蚀深度为10nm、长度为7μm时，刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压为621V，输出饱和电流为466mA/mm。可以看出，击穿电压提高了311%，输出饱和电流增加了30%。 最后，进行了高温特性的测试研究。传统AlGaN/GaN HEMTs器件的输出饱和电流降低了54%，而刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs器件的输出饱和电流降低了47%。由于同时优化了热场分布，一定程度上缓解了器件的输出特性退化。

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第一章绪论

1.1 GaN材料在功率半导体领域的优势

1.2 GaN基功率半导体器件概述

1.3本文的研究内容和安排

第二章AlGaN/GaN HEMTs器件的基本原理

2.1 GaN材料的生长

2.2 AlGaN/GaN异质结材料的极化效应

2.3 2DEG的面密度和迁移率

2.4增强型AlGaN/GaN HEMTs器件技术

2.5本章小结

第三章AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿机理

3.1 Si基LDMOS和SiC基SBD的击穿机理

3.2 AlGaN/GaN HEMTs 器件的击穿机理

3.3本章小结

第四章具有电场调制部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN

4.1部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs设计

4.2增强型部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs设计

4.3部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs的解析模型

4.4部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN HEMTs实验及测试

4.5本章小结

第五章具有电场调制刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs研究

5.1刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs的解析模型

5.2刻蚀AlGaN势垒层AlGaN/GaN HEMTs实验及测试

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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