Si基GaN横向功率二极管新结构研究

摘要

在过去的十年中，氮化镓（GaN）材料获得了越来越多的关注和研究，因为它具有比Si材料更高的禁带宽度和热导率，尤其是GaN异质结器件，拥有高密度的二维电子气和很高的电子迁移率，是高频高功率应用领域未来的发展方向。功率二极管是半导体功率器件中最重要的元件之一，被广泛地应用于功率系统中的开关电路、整流电路、限幅电路、驱动电路和储能电路等。相比Si基肖特基势垒二极管，GaN功率二极管拥有更低的导通电阻、更高的击穿电压、更好的导热性，可以进一步降低电路的能耗、提高电路的可靠性。但是目前GaN器件从理论到工艺技术都存在很多缺失，器件在开启电压、导通损耗和反向耐压等方面远未达到应有的水平。因此本文围绕GaN功率二极管的新结构和工艺技术进行研究，以进一步提高GaN功率二极管的性能。
　　本文提出了Si基 GaN横向功率二极管新结构——MIS栅混合阳极二极管（MG-HAD）。该结构采用欧姆金属和凹槽栅金属短接的混合阳极，器件在较小的正向电压下通过凹槽栅金属控制2DEG沟道开启，从而使电子可以从阴极欧姆金属流向阳极欧姆金属。相较传统结构，MG-HAD具有三大优势：一，开启电压的大小容易调制，可根据需求进行定制；二，阳极采用欧姆金属，极大地降低了器件导通损耗；三，MIS凹槽栅结构可使阳极边缘电场分布均匀，增大了器件的击穿电压。
　　为了验证MG-HAD的可行性，本文进行了流片实验，并对流片中的关键工艺步骤如欧姆金属和混合凹槽刻蚀工艺进行了优化。最终研制出的器件具有非常优秀的正反向特性和良好的温度稳定性。
　　在正向导通测试中，器件的开启电压为0.6V，突破了传统GaN SBD开启电压大于1V的瓶颈。在反向耐压测试中，器件的关态漏电非常小，低于10μA/mm。在温度稳定性测试中，器件在常温下的击穿电压大于1100V，在150℃下仍有600V以上，展现出了优良的温度稳定性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 AlGaN/GaN异质结器件理论与制造技术

2.1 AlGaN/GaN的极化效应

2.2 AlGaN/GaN SBD工作原理

2.3 GaN功率器件制备技术

2.3 本章小结

第三章 MIS栅混合阳极二极管的设计与仿真

3.1 传统GaN功率二极管性能分析

3.2 MIS栅混合阳极二极管的设计

3.3 MIS栅混合阳极二极管的仿真

3.4 本章小结

第四章 MIS栅混合阳极二极管的研制与测试

4.1 工艺流程

4.2 关键工艺研究

4.3 测试及分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果