氮化镓异质结晶体管电荷控制模型与新结构

摘要

宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）是第三代半导体的典型代表，AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HFET）已经成为了电力电子行业快速增长一个分支。与传统的硅功率器件相比，AlGaN/GaN HFET可以实现在大功率、高温和辐照等恶劣条件下工作，并可获得更低导通功耗，成为了硅器件电力电子变换系统中理想可替代器件之一。虽然AlGaN/GaN HFET能够提供高击穿电场和低导通电阻，但是常规AlGaN/GaN HFET为耗尽型器件，具有常开特性，这阻碍了HFET在功率器件中的应用和推广。高可靠性的常关型AlGaN/GaN HFET的制备成为了首要待解决问题。目前，已经有多种技术实现了常关沟道的控制，例如凹槽栅、P-GaN栅、氟（F）离子注入、选择性外延等。但是关于器件沟道控制的模型和机理，仍然缺乏系统的研究，所以解决器件的沟道控制基本机理问题，具有重要的实用价值。
　　本论文围绕着AlGaN/GaN异质结常关沟道控制的物理机理，建立电荷控制模型，提出增强型沟道的新结构。利用控制势垒层中的电荷分布，改变势垒层中的内建势，调制异质结界面处2DEG的浓度，从而达到形成增强型沟道和提高阈值电压的目的。本文针对异质结晶体管中电荷控制模型，展开了创新研究，主要创新点如下：
　　第一，基于单异质结势垒层结构，提出了单异质结电荷控制模型和新结构。该模型以AlGaN/GaN异质结极化基本原理为出发点，给出了旋转轴极化电荷浓度和2DEG浓度的表达式，其结果能与实验较好地吻合。在单异质结电荷控制模型中，引入了临界厚度和弛豫因子，并研究了临界厚度和弛豫因子与器件阈值电压的关系，基于此电荷控制模型，提出了两种新型常关沟道异质结器件：混合阳极场控整流器HA-FER和围栅极异质结晶体管FinHFET。
　　第二，基于双异质结势垒层结构，提出了双异质结电荷控制模型和新结构。该模型考虑了双异质结势垒层中势垒层应力弛豫、掺杂离子浓度、陷阱浓度、压电极化等多种因素对阈值电压的影响，分析了无势垒层掺杂型、势垒层掺杂型、铁电极化型异质结晶体管的基本工作特性。此外，基于该双异质结势垒层电荷控制模型，提出了两种新型增强型异质结晶体管，即具有氟离子掺杂介质层的MIS-HFET和具有铁电材料栅极的HFET。研究结果表明：具有氟离子掺杂介质层的Al2O3/AlGaN/GaN异质结器件实现了阈值电压从－4.8 V到+0.2 V的增强，实验结果充分验证了电荷控制模型的基本原理；铁电材料栅极的LiNdO3/Al0.25Ga0.75N/GaN HFET实现了阈值电压的增强，其不同栅极势垒层厚度下获得的阈值电压分别为－1.1 V、－2.1 V和－3.9 V，理论结果能与实验结果很好地吻合。
　　第三，基于多异质结势垒层结构，建立了多异质结电荷控制模型。该电荷控制模型是针对双异质结势垒层的CCM进行了扩展。该模型概括了势垒层中极化电荷、掺杂浓度、缺陷陷阱浓度等多种因素对阈值电压的影响，其阈值电压一般表达式具有普适的特点，为新型增强器件设计提供了理论依据。
　　第四，基于电荷控制模型，提出了具有双向阻断能力、低正向压降和低功耗的集成AlGaN/GaN HFET，并研究了该类器件的短沟道效应。最后，在Si衬底基础上提出了一种新常关沟道的集成方案，即采用 Si基 NMOS控制耗尽型AlGaN/GaN HFET，以实现开关控制。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号表

第一章 绪论

1.1 AlGaN/GaN HFET概述

1.2 AlGaN/GaN HFET发展现状

1.3 本论文的主要工作及创新

第二章 AlGaN/GaN HFET的极化模型

2.1 极化机理

2.2AlGaN/GaN HFET的极化模型

2.3 2DEG产生机理与解析模型

2.4 本章小结

第三章 单异质结HFET电荷控制模型与新结构

3.1 引言

3.2 单异质结电荷控制模型

3.3 复合阳极AlGaN/GaN器件

3.4 围栅极异质结晶体管

3.5 本章小结

第四章 双异质结HFET电荷控制模型与新结构

4.1 无掺杂势垒层双异质结电荷控制模型

4.2 掺杂型势垒层双异质结电荷控制模型

4.3 铁电型势垒层双异质结HFET

4.4 多异质结型GaN功率晶体管电荷控制模型

4.5 本章小结

第五章 增强型相关异质结器件

5.1 低导通功耗异质结器件

5.2 MIS-HFET短沟道效应研究

5.3NMOS控制AlGaN/GaN HFET混合集成器件

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 下一步工作

致谢

参考文献

附录

博士在学期间的研究成果