AlGaN/GaNHFET功率开关器件新结构研究

摘要

功率器件在电源管理、电力传输、工业控制等方面影响着人们的生活。硅基功率器件经过半个多世纪发展，性能已经趋近于理论极限，而现代电力电子系统对功率器件的性能要求越来越高。采用新型半导体材料来提升功率器件性能已经刻不容缓。氮化镓(GaN)材料具有宽禁带、高电子迁移率和高临界击穿电场等优点，使其成为下一代功率器件的绝佳选择。AlGaN/GaN异质结具有高浓度的二维电子气（2-DEG），在赋予AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）开关速度快和导通损耗低等优点的同时使得常规 HFET为耗尽型器件，不利于功率开关应用。因此增强型AlGaN/GaN HFET成为GaN基功率器件的技术难点。本论文利用国产硅衬底GaN晶圆开展增强型AlGaN/GaN HFET功率器件研究，主要研究内容包括：
　　（1）结合实验室在AlGaN/GaN HFET器件仿真中已有的研究成果，开展了增强型 HFET功率器件关键工艺研究。优化获得了较低接触电阻的欧姆接触；针对凹槽栅增强型器件最关键的凹槽刻蚀工艺，新开发出了一种高效率、低损伤且速率可控的凹槽刻蚀工艺。
　　（2）在新型凹槽刻蚀工艺基础上，提出了部分栅槽概念，通过精确控制刻蚀深度，在势垒层剩余1.5nm左右的情况下，实现沟道中2-DEG的完全耗尽，成功制备了增强型Al2O3/AlGaN/GaN MIS-HFET器件。剩余的1.5nm势垒层保证了异质结量子阱物理结构完整同时降低了栅凹槽刻蚀过程中带来的晶格损伤。该增强型 HFET器件阈值电压为+1.5V，最大漏极电流高达693mA/mm，最大跨导为166mS/mm。Lgd为10μm的器件关态漏电为1μA/mm时击穿电压高达860V，比导通电阻为1.18mΩ·cm2，功率品质因数为626MW/cm2，以上性能指标均达到目前硅衬底GaN功率器件国际领先水平。
　　（3）提出一种新结构的AlGaN/GaN HFET器件——绝缘栅混合阳极二极管（MIS-Gated Hybrid Anode Diode,MG-HAD），并对其温度特性进行了测试分析。室温下MG-HAD的开关比达到105，击穿电压大于1100V，关态漏电低于10μA/mm；150 oC下器件击穿电压为616V，关态漏电低于10μA/mm。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 AlGaN/GaN材料特性

1.3 AlGaN/GaN HFET功率器件国内外研究现状

1.4 本文的主要工作

第二章 AlGaN/GaN HFET器件物理

2.1 AlGaN/GaN异质结极化效应与2-DEG来源

2.2 AlGaN/GaN晶圆材料性质测试与分析

2.3 AlGaN/GaN HFET工作原理

2.4 本章总结

第三章 凹槽栅增强型AlGaN/GaN HFET器件工艺开发

3.1 优化欧姆接触研究

3.2 新型凹槽栅刻蚀工艺开发

3.3 AlGaN/GaN异质结表面钝化工程

3.4 AlGaN/GaN增强型器件其他工艺

3.5 凹槽栅增强型AlGaN/GaN HFET工艺流程

3.6 本章总结

第四章 AlGaN/GaN HFET功率开关器件研制与测试

4.1 高性能凹槽栅增强型AlGaN/GaN MIS-HFET器件研制

4.2 增强型MIS-HFET器件性能测试与分析

4.3 新型AlGaN/GaN HFET功率器件研制

4.4 新型HFET功率器件温度特性测试与分析

4.5 本章总结

第五章 结 论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果