垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究

摘要

近年来，垂直型GaN基HEMT器件以其优异的性能，在大功率电力电子领域备受关注，研究改善垂直器件的击穿和导通特性的方法已成为该领域一大热点。P埋层、超结和SiO2材料电流阻挡层等结构的引入，推动了垂直器件性能的提高，为当前更广泛的应用需求奠定了基础。然而，现有技术中器件击穿电压和导通电阻的矛盾依然较为突出，因此如何更好地解决上述问题，进一步提升功率器件性能，是当前国内外众多学者关注的焦点，也是本文的研究重点。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了一种阶梯电流阻挡层技术，基于该技术仿真研究了采用不同形式阶梯电流阻挡层结构的垂直型GaN基HEMT器件的阻断特性和导通特性，结果表明，相比传统垂直型GaN基HEMT器件，阶梯电流阻挡层垂直型GaN基HEMT器件在器件内部形成额外的电场峰，从而更有效的调制电流阻挡层附近的电场分布，改善器件的击穿特性，而由于阶梯电流阻挡层远离电流孔径，其耗尽区远离导通电流的通路，因此可更有效地降低器件导通电阻。⑵提出并研究了两种基于缓冲层内 P型掺杂嵌入层结构的垂直型GaN基HEMT器件，结果表明，随着P型掺杂嵌入层深度的增加，通过优化与之对应的掺杂浓度，可使器件形成多个电场峰，从而更有效得调制器件缓冲层内的电场分布，改善器件的击穿特性。同时双竖直 P嵌入层结构耗尽区远离电流通路，器件的导通电阻小。⑶借鉴垂直型Si基MOSFET器件中半超结和高K介质的思想，分别提出并研究了基于半超结、T型半超结、高K介质和高K介质上生长电流阻挡层的四种垂直型GaN基 HEMT器件新结构，并对其工作机理进行了深入分析。研究结果表明，这四种结构都可以有效调制器件中电场分布，显著提高器件击穿电压。在半超结器件中，半超结附近形成了额外的电场峰，改善了器件击穿特性，且器件导通电阻低。在T型半超结器件中，随着半超结长度的变化，通过优化与之对应的掺杂浓度，可在器件中形成额外的电场峰，从而实现不同半超结长度的垂直型GaN基HEMT器件可以具有相同击穿电压和导通电阻，增加了器件设计中掺杂形式的自由度。在高K介质器件中，器件的击穿电压与具有相似结构的超结垂直型GaN基HEMT器件的击穿电压几乎相当，而器件的导通电阻却远低于超结器件导通电阻，并低于传统垂直型GaN基HEMT器件的导通电阻，器件导通特性得到显著改善，器件的优值高达2.8GW/cm2。为了更好地实现增强型高K介质垂直型GaN基HEMT器件，在高K介质上生长一层电流阻挡层，该层既可以提升器件增强型的效果，又可以调节器件缓冲层内的电场分布，实现器件的高耐压特性。

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第一章 绪论

1.1 GaN基HEMT器件概述

1.2 GaN基HEMT器件国内外研究现状

1.3 本文主要任务及安排

第二章 垂直型GaN基HEMT的工作原理

2.1 垂直型GaN基HEMT的基本原理

2.2 传统垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性

2.3 现有垂直型GaN基HEMT器件结构及其特点

2.4 本章小结

第三章 阶梯阻挡层垂直型GaN基HEMT器件耐压特性研究

3.1 双阶梯CBL垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究

3.2三阶梯CBL垂直器件的耐压特性研究

3.3 双阶梯PEL垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究

3.4 本章小结

第四章 高耐压垂直型GaN器件的新结构设计与仿真研究

4.1半超结垂直器件的耐压特性研究

4.2 高K介质垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究

4.3 高K介质上生长CBL垂直器件的耐压特性研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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