高压增强型GaN HFET机理与新结构研究

摘要

AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（AlGaN/GaN HFET）因其优异的材料特性、良好的器件性能，被认为是未来替代硅基功率器件的热门选择之一。AlGaN/GaN异质结在形成高面密度、高电子迁移率的二维电子气（2DEG）的同时也使得传统AlGaN/GaN HFET本质上为耗尽型器件，限制了其在功率电子领域的应用。其次，栅极电场集中效应与缓冲层漏电等问题容易引发AlGaN/GaN HFET提前击穿，导致器件的平均击穿电场远低于GaN材料的临界击穿电场。为解决上述问题，本论文提出了两种新型AlGaN/GaN HFET功率器件，并对其机理、静态特性及关键参数展开了研究。 1. 针对传统AlGaN/GaN HFET击穿电压远低于理论值及阈值电压与开态电流之间存在制约关系的问题，本文提出了一种对称极化掺杂增强型AlGaN/GaN HFET功率器件。该结构采用Al组分对称渐变的AlGaN势垒层，因极化梯度而分别在正向渐变AlGaN层和逆向渐变AlGaN层中诱导产生三维电子气（3DEG）和三维空穴气（3DHG）。第一，正向渐变AlGaN层中存在的高浓度3DEG显著提升器件的输出电流。第二，新结构利用3DHG阻断源极与3DEG间的纵向导通沟道，实现了新的增强型模式。第三，阻断状态下极化结辅助耗尽漂移区，优化电场分布，且源极在栅极右侧构成源极场板，进一步优化漂移区电场，器件的击穿电压因此得到极大提升。仿真表明，与传统AlGaN/GaN HFET相比，新结构的击穿电压从39V提高至919 V，饱和漏电流提升了103.5%。同时，新结构还兼具低比导通电阻、大跨导、阈值可调控的特性。 2. 为提升纵向GaN HFET功率器件的击穿电压并降低其导通电阻，本文提出了一种纵向超结增强型 AlGaN/GaN HFET。该结构的特征为具有由n-GaN/p-GaN构成的超结耐压层。一方面，新结构中交替的N条和P条在耐压时互相耗尽，调节漂移区纵向电场的均匀性，器件的反向阻断能力被大幅度提升；另一方面，P条的辅助耗尽作用使得 n-GaN 漂移区可以采用更高的掺杂浓度，从而实现更低的导通电阻。仿真研究表明，新结构的比导通电阻与耐压之间的关系得到显著改善，在保持击穿电压均1800V级别时，新结构的比导通电阻为0.86 mΩ·cm2，较常规纵向GaN HFET器件的1.87 mΩ·cm2降低了54%。

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