高压GaN基电力电子器件制备与陷阱电学特性研究

摘要

由于在开关速度、转换效率和开关损耗等方面表现卓越，GaN基电力电子器件的商业化应用越来越广泛。但是，目前的商用GaN基电力电子器件的额定电压均低于650V，因此，国际上提出并报道了很多技术手段，如基于GaN自支撑衬底和多晶AlN衬底的外延技术，用于提高器件击穿电压，扩展其应用范围。但是，如何在提高击穿电压的同时，保持较低的关态漏电以及导通电阻仍然是目前面临的最大困难之一。高压下热效应带来的可靠性问题以及材料中的陷阱对器件电学特性的影响均需要深入研究。 本文基于前人的研究成果，首先采用AlGaN/GaN/AlGaN双异质结用于改善器件的击穿特性以及高温特性。相比于AlGaN/GaN单异质结器件，双异质结结构具有更好的载流子限域性，减小了缓冲层漏电。但是其缓冲层和背势垒层的结晶质量可能会恶化，因此，在提升双异质结材料结晶质量的同时，需要深入分析材料中的陷阱对器件电性的影响。众所周知，电容-频率和电导-频率测试技术已经广泛地应用在三五族异质结的陷阱态分析中。但是，目前对于双异质结器件中的陷阱态在高温下的电性问题，还没有进行系统的研究和报道。 依据现有的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结结构，如何在提高击穿电压的同时，抑制其关态漏电，保证较低的关态功率损耗，也是本文重点解决的问题之一。为了保持较低的关态损耗，对于击穿电压在1000V以上的器件，通常采用1μA/mm的关态漏电作为器件击穿的判定依据。但是，目前极少可以实现1500V以上击穿电压的同时，又保持1μA/mm以下的关态漏电。 相比于GaN材料，AlGaN具有更高的本征击穿场强，因此，AlGaN沟道HEMTs器件具有极大的潜力进一步提升器件的击穿电压，扩展GaN基电力电子器件在高压领域的应用范围。但是，AlGaN材料和异质衬底之间存在更严重的晶格失配，很难获得具有高结晶质量的高Al组分AlGaN沟道异质外延材料。因此，受外延材料结晶质量的限制，器件的击穿特性并没有得到大幅改善，其击穿场强远远低于理论值。到目前为止，国际上还没有报道过击穿电压在2000V以上的AlGaN沟道HEMTs器件。 由于GaN材料可外延在直径高达200mm的硅衬底上，同时可采用CMOS兼容的器件制备工艺，使得成本大大降低，因此，硅基GaN成为目前最适合商业化应用的技术之一。考虑到电力电子系统对常关型器件的需求，本文同时研究了常关型硅基GaN器件。由于GaN和Si之间存在较严重的晶格失配和热失配，因此，硅基GaN技术仍面临较大挑战。外延生长初始的AlN成核层对AlGaN/GaN异质结的结晶质量起着决定作用，在MOCVD外延生长过程中，较高生长温度使得成核层中的Al原子作为受主扩散到Si衬底中高达50-100nm，在界面处形成的p+Si将成为一个漏电通道，严重地影响了器件的输运和击穿特性。另外，由于SOI衬底可实现GaN单片集成，因此，基于SOI衬底的GaN外延技术在电力电子系统中越来越具有吸引力。但是，由于应力不均匀以及其他相关因素的影响，SOI衬底中的Si器件层会表现出与硅体材料衬底不一样的问题。因此，深入研究SOI衬底中Si器件层的陷阱状态、陷阱对反型层的形成以及对SOI衬底上GaN器件漏电机理的影响极为重要。 基于以上问题，本文首先研究了单异质结和双异质结器件中陷阱态的高温行为以及其对器件漏电的影响。然后，制备了高压AlGaN沟道HEMTs器件以及高性能AlGaN/GaN/AlGaN双异质结器件。随后，基于蓝宝石衬底上的研究成果和p-GaN技术，在硅衬底上制备了常关型p-GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN和p-GaN/Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N器件，并深入研究了p-Si和p-SOI衬底上AlN成核层的漏电机理。详细的研究内容以及成果如下： 1.首先介绍了用于表征器件陷阱态的电容-频率和电导-频率分析技术。采用该技术，在单异质结中探测到一种快态陷阱，而在双异质结器件中探测到两种陷阱态：快态和慢态陷阱。而且随着沟道层厚度的减小，双异质结器件显示出更深的陷阱能级。在14nm沟道层厚度的双异质结器件中，测得其室温下的快态陷阱分布在0.273eV~0.277eV能级处，其态密度从4.6×1012cm-2eV-1增加到1.9×1013cm-2eV-1，慢态陷阱分布在0.384eV~0.423eV能级处，其态密度从2.4×1013cm-2eV-1减少到8.7×1012cm-2eV-1。相比于单异质结器件，双异质结器件中的深能级陷阱在栅漏电方面起到抑制作用。随着测试温度的升高，可以探测到更深能级的陷阱，而在双异质结器件中，随测试温度升高，探测到的陷阱能级依然深于单异质结器件，这种现象说明了双异质结在抑制高温栅漏电方面具有较大优势。 2.设计了一种AlGaN沟道HEMTs，通过结合新型欧姆/肖特基混合漏结构，最终实现器件击穿电压超过2200V，这是国际上首次报道击穿电压超过2200V的AlGaN沟道器件。另外，在器件制备过程中，通过在干法刻蚀后采用TMAH湿法处理工艺，使得该器件获得了高达7×109的开关比和64mV/dec的亚阈值摆幅。同时，器件的高温特性和动态特性也得到了改善，这些优异的结果使得该器件具有极大的潜力应用在1200V级的功率开关中。 3.采用10nm厚的GaN沟道和10%Al组分的AlGaN背势垒，实现了一种高性能的AlGaN/GaN/AlGaN HEMTs。相比于AlGaN沟道器件，本章中的器件得益于材料迁移率的改善，在实现超过2000V击穿电压的同时，具有较小的特征导通电阻。另外，在本章详细研究了刻蚀工艺后引入的TMAH处理对器件漏电的改善作用，最终实现了极低的关态漏电流，获得高达1010的开关比和63mV/dec的亚阈值摆幅。同时，在高温下，该器件在开关比、亚阈值摆幅和击穿电压等方面均表现优异，使得其在高温、高压下的电力电子应用中具有极大的应用潜力。 4.基于前文蓝宝石衬底上获得高性能GaN基电力电子器件的研究成果，本论文最后开展了基于商用硅衬底的硅基GaN技术研究。首先制备出两种常关型器件：p-GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN和p-GaN/Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N器件，发现AlGaN沟道常关型器件具备更高的阈值电压和击穿电压。随后，针对目前p-Si和p-SOI衬底中Al扩散引起的电性陷阱影响器件漏电和击穿特性的问题，通过在两种衬底上MOCVD淀积AlN成核层，采用不同温度以及不同电场下的电学表征手段，分析AlN/p-Si和AlN/p-SOI结构中的载流子输运机理。最终，在两种衬底中均发现反型沟道的形成。对于半垂直结构的AlN/p-SOI，其具有与AlN/p-Si一致的漏电机制，但是，在较低的正向和反向偏压下，需考虑到表面漏电的影响。对于上述两种结构，在较低正向偏压下，载流子漏电机制服从欧姆定律；随着正向偏压的增加，漏电机制转变为从陷阱之间的V-R跃迁；然后受限于Si耗尽区的SRH少子产生，最后变为FN直接隧穿，直至器件击穿。在反向偏压下，漏电流受限于肖特基发射电子；而随着反向栅压增加，载流子漏电机制变成了PF隧穿；最终转变为FN直接隧穿，直至器件失效。该研究成果为以后研究基于p-Si和p-SOI衬底的异质结结构的载流子纵向输运和击穿机理的研究奠定了基础。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 GaN基电力电子器件的研究背景

1.2 GaN基电力电子器件的国内外研究现状

1.3本文研究目标和内容安排

第二章 GaN基电力电子器件制备与陷阱表征技术

2.1 GaN基电力电子器件的材料外延

2.2 GaN基电力电子器件制备技术

2.3 GaN基电力电子器件的可靠性问题

2.4本章小结

第三章 GaN基电子器件制备与电性陷阱分析

3.1材料生长和器件制备

3.2器件测试与分析

3.3陷阱电性测试与分析

3.4本章小结

第四章 高压Al0.3Ga0.7N/Al0.1Ga0.9N HEMTs制备及性能分析

4.1材料生长和器件制备

4.2器件测试与分析

4.3本章小结

第五章 高性能Al0.3Ga0.7N/GaN(10nm)/Al0.1Ga0.9N HEMTs制备及性能分析

5.1材料生长和器件制备

5.2器件测试与分析

5.3本章小结

第六章 常关型GaN基电力电子器件及漏电机理研究

6.1常关型GaN-channel HEMTs和AlGaN-channel HEMTs研究

6.2 AlN/p-Si和AlN/p-SOI漏电机理研究

6.3本章小结

第七章 总结和展望

参考文献

致谢

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