Si基GaN超势垒功率二极管

发布时间：2020-04-07 10:18

【摘要】：GaN器件在经过近十年的高速发展后,相比于传统硅基MOSFETs,其在高速、高效、高功率应用领域已展现出越来越明显的性能优势。为充分发挥GaN器件高频、高能效、高功率密度、工作温度高等独特优势,最大限度地提升GaN基电力电子系统的性能,开发单芯片硅基GaN功率IC是必然趋势。除GaN晶体管外,二极管也是发展GaN单片功率IC不可或缺的核心器件之一。然而业界对GaN-on-Si二极管的研究甚少,目前尚无其商用产品,因此开发具有超低开启电压、低导通电阻、低反向漏电、高耐压和高均一性的GaN功率二极管十分必要。本文针对上述背景,提出了一种高性能的GaN-on-Si二极管新结构,并对其在射频混合信号方向的应用进行了研究。主要内容如下:(1)提出一种超势垒混合阳极GaN横向功率二极管新结构(Hybrid-anode Super-barrier Diode—HSD)。该结构采用超薄势垒AlGaN/GaN异质结,其沟道2DEG密度(~10~122 cm~(-2))比传统常规势垒(~10~133 cm~(-2))降低了1个量级,具有天然的整流特性。后期通过在异质结上生长LPCVD-SiN_x等介质层,利用其引入的介质电荷和介质应力来恢复access region中的2DEG,栅下区域由于介质层被去除而保留了其天然的整流特性,因此可在实现整流特性的同时充分降低器件导通电阻。相比于传统常规势垒结构,HSD具有两大优势:一,通过控制MOCVD生长的异质结势垒层厚度可实现开启电压的精确调控;二,不需要对栅下势垒层进行额外的“处理”,如刻蚀或离子注入,可极大地降低该步工艺中可能产生的晶格损伤及其带来的器件性能衰退问题,有利于实现高性能的GaN二极管。(2)仿真设计优化并实验制备GaN HSD器件。本文首先通过仿真对异质结势垒层的厚度进行优化;其次对优化后的HSD进行流片实验,并在实验中不断优化工艺菜单以开发适用于HSD器件的制备技术;最终获得的HSD器件开启电压仅为0.35V,L_(ac)=10μm时耐压达到800V以上。同一晶圆上制备的155个器件,其开启电压标准差仅为0.025V,表明器件性能具有高均匀性。(3)HSD器件的拓展应用——零偏压混频器。该混频器由两个GaN HSD器件并联而成,器件直流测试结果显示,HSD混频器在0V附近具有较强的非线性,室温下的开启电压仅为0.2V;经初步的RF测试可看出,当温度高达200℃时,器件表现出较好的混频特性,表明器件具有良好的高温特性。
【图文】：

功率开关器件的应用领域在实际应用中，要求功率开关器件在控制电能传输至负载的同时产生的功率

Si、SiC、GaN和AlN的材料特性对比图
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN313.4

【参考文献】

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本文编号：2617785