Si衬底上GaN整流器的外延结构设计与器件制备

发布时间：2020-06-10 05:15

【摘要】：GaN功率器件的出现是全球半导体工业在第一代半导体材料理论极限不断逼近的今天做出的伟大尝试,也是历史发展的必然。GaN功率器件在5G应用、快速充电、AI智能等未来领域对传统硅(Si)芯片的取代与广泛应用的逐步实现,使得GaN功率器件相关研究成为吸引世界目光的前沿与热点。而GaN整流器作为GaN功率器件中必不可少的一环,凭借其在清洁能源应用系统、微波传能等方面的重要应用,其研究与制备同样将在GaN功率器件发展版图中的占据重要的一席之地。本论文从AlGaN/GaN异质结结构设计与器件制备两个角度出发围绕GaN整流器性能进行研究,主要研究成果如下:1.通过缓冲层结构设计在Si(111)衬底上实现AlGaN/GaN单异质结结构外延生长,并通过多种表征手段进行结构分析,分析结果可知:通过本论文外延生长得到的AlGaN/GaN单异质结外延结构中,AlGaN势垒层厚度为17.91 nm,层内Al摩尔组分为25.08%,面内弛豫系数17.48%,处于强应变状态。AlGaN/GaN单异质结结构电学性能良好,适用于GaN功率器件制备。2.以AlGaN/GaN单异质结结构为基础,设计依次在结构中引入AlN插入层、GaN盖帽层以及Mg掺杂与C掺杂两种半绝缘化GaN插入层,通过结构分析在材料角度上研究不同插入层对AlGaN/GaN异质结结构特性的影响。随后使用不同AlGaN/GaN异质结外延片进行GaN整流器器件制备,从器件角度验证不同外延结构对器件性能影响。3.以性能最佳AlGaN/GaN异质结外延片作为结构基础,通过对器件电极图案设计与结终端结构引入两方面工作入手,实现了正向比导通电阻为11.17 mΩ/sq,-20 V反偏电压下漏电电流大小为5.6×10~(-5) A的GaN整流器制备。
【图文】：

华南理工大学硕士学位论文GaN 为例，III 族氮化物的晶体结构一般有三种：六方纤锌矿结构（α 相）、立方闪锌矿结构（β 相）以及正方岩盐矿结构，如图 1-1 所示。其中六方纤锌矿结构为热力学稳定态结构，其余两种均为亚稳态结构，单晶 III 族氮化物薄膜中只观察到六方纤锌矿与立方闪锌矿结构，在极端高压条件下才能出现岩盐矿结构[1]。立方闪锌矿 III 族氮化物相比于缺乏反演对称性的六方纤锌矿 III 族氮化物材料而言具有诸如载流子体迁移率高[2]、更容易实现高质量掺杂[3]等更优越的电学性能，然而由于其结构处于热力学亚稳态，单晶制备困难，易发生分相且产物性质受制备条件影响无法实现稳定制备等原因无法实现商业化应用。目前对于 GaN 功率器件研究中所用 III 族氮化物材料主要为六方纤锌矿结构为主，本论文中所研究 III 族氮化物材料薄膜结构同样为六方纤锌矿结构。

第一章 绪论极化电场，导致压电极化效应（Piezoelectric Polarization，PPZ）的发生。不同形式在 III 族氮化物晶格中产生的晶格形变不同，导致其引起的极化大小和方变。当晶格受到外加张应力时，面内晶格常数 a 增大而轴向晶格常数 c 减小，方向与晶格内自发极化方向相同；当晶格受到外加压应力时，内晶格常数 a 减晶格常数 c 增大，压电极化方向与晶格内自发极化方向相反。III 族氮化物受其对成键高离子性的影响，，其压电极化系数要比同 III-V 族氮化物材料高一个数结结构性能受膜层应力状态调制，以其为工作结构基础的 GaN 功率器件便是氮化物异质结的此类特性实现其优越的器件特性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM461

【参考文献】

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1 岳远征;郝跃;张进城;冯倩;倪金玉;马晓华;;A study on Al_2O_3 passivation in GaN MOS-HEMT by pulsed stress[J];Chinese Physics B;2008年04期

2 孙以材,张林在;用改进的Van der Pauw法测定方形微区的方块电阻[J];物理学报;1994年04期

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1 刘方玉;微波毫米波器件短沟道效应研究及结构优化[D];西安电子科技大学;2017年

2 杨美娟;Si衬底上高质量AlN外延薄膜的MOCVD生长研究[D];华南理工大学;2017年

3 王昊;高阻缓冲层与高迁移率GaN基HEMT材料生长研究[D];西安电子科技大学;2011年

本文编号：2705830