p-GaN帽层增强型GaN HEMT器件栅结构与钝化研究

发布时间：2020-04-15 02:00

【摘要】：GaN基材料具有禁带宽度大、击穿场强高、极化系数高、电子迁移率和电子饱和漂移速度高等一系列材料性能优势,是制备新一代高性能电力电子器件的优选材料,具有重要的应用前景。近年来,美国、日本和欧洲等发达国家和地区均将GaN基电力电子器件列入重大战略研究计划,并已取得了重要进展。AlGaN/GaN异质结界面处由极化效应产生的二维电子气所制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)是目前主要应用的平面结构GaN基功率器件,兼具高耐压、高功率密度、高工作速度等优势。然而由于异质结界面处的二维电子气存在,在实际应用中需要相对复杂的栅驱动电路,以及不满足失效安全要求。因此,在GaN基功率电子器件应用中,增强型GaN基HEMT成为了重要的技术目标。目前实现增强型GaN基HEMT功率电子器件的主要技术手段包括凹栅结构、F离子注入技术、p型栅帽层、级联(Cascode)结构等。其中,通过AlGaN/GaN异质结上的p型GaN帽层结构实现对异质结界面处二维电子气的耗尽是产业化主流技术,p型栅帽层技术在界面质量、器件开态特性等方面具有潜在优势,近些年来收到广泛的关注和研究,也是本篇论文的重点研究内容。本论文将从器件模拟仿真与设计、工艺优化、电学参数表征、可靠性分析等方面展开,在实现Si基增强型的p-GaN栅帽层GaN HEMT器件制备的基础上,并重点开展p-GaN栅帽层HEMT中栅极接触和钝化层对器件性能的影响研究。对论文中涉及工作的具体总结如下:1.利用Silvaco TCAD仿真软件中ATLAS器件仿真,研究分析了p-GaN栅帽层HEMT器件中AlxGa1-xN势垒层厚度,势垒层Al组分,p-GaN帽层空穴浓度,以及栅极金属种类对器件性能的影响。研究发现,AlxGa1-xN势垒层厚度越小,阈值电压越大,器件栅控能力越强,但是过薄的势垒层会无法产生足够浓度的二维电子气;势垒层Al组分越小,沟道中产生的二维电子气浓度随之降低,器件的阈值电压也会相应地增加,与之对应的是输出电流降低;阈值电压会随着p-GaN帽层空穴浓度提升而增加,但是过高的p-GaN帽层空穴浓度在实际工艺中难以实现。此外,不同栅极金属种类以及与p-GaN材料的接触类型也会对器件性能产生显著的影响:对于采用肖特基接触型栅金属电极的器件,栅金属的功函数越低,相应器件的阈值电压越高;对于采用欧姆型栅金属接触的器件,总体具有更低的阈值电压和更高的饱和输出电流;这为之后的器件设计提供了器件模型依据。2.基于标准光刻、干法刻蚀、电子束蒸发等工艺摸索和优化,本工作成功实现了Si基增强型p-GaN栅帽层GaN HEMT器件的制备。其中,肖特基接触型栅电极器件,阈值电压达到1.72V,实现了增强型工作模式;同时器件开关电流比达到107,关态栅漏电低至～10-6mA/mm。而欧姆栅的器件阈值电压有所降低为0.42V,开关电流比同样达到107,关态栅漏电低至～10-6mA/mm。在进一步的正向栅压应力测试中,肖特基型栅极器件表现出较明显的阈值电压漂移,而欧姆型栅极器件的阈值电压则非常稳定。针对这一现象,本工作基于进一步的C-V测试分析,提出了相应的空穴积累的模型。3.针对非栅区域p-GaN帽层刻蚀表面的钝化问题,对比研究了两种GaN基功率器件中常用钝化层材料(SiO2和SiNx)的钝化效果。基于相应的电学Ⅰ-Ⅴ特性、动态开启电阻、低频噪声功率谱等参数的测试验证,成功实现了对GaN HEMT器件中电流崩塌效应的有效抑制。相比于SiO2材料,SiNx作为钝化层在降低器件栅漏电流和提高器件关态漏端击穿电压方面更具有优势,同时相应的非栅区域p-GaN帽层刻蚀表面缺陷态密度更低。
【图文】：

是制备新一代高性能功率电子器件的优选材料，具有重要的应用前景。逡逑ＧａＮ是一种由ＩＩＩ族元素－镓（Ｇａ）和Ｖ族元素－氮（Ｎ）组成的稳定化合物半逡逑导体材料。ＧａＮ材料一般有纤锌矿和闪锌矿两种晶体结构，如图１．１．１所示。原逡逑子层的堆垛顺序的不同导致这两种结构分别是稳态和亚稳态，他们在宏观上表现逡逑出来的电学性能也大相径庭。逡逑纤锌矿结构是ＧａＮ材料的稳态结构，属于Ｐ６３ｍｃ空间群，它由两套六方密逡逑排的子晶格组成，Ｇａ原子和Ｎ原子沿Ｃ轴方向错位，每个子晶格包含一种原子。逡逑其面内和轴向的晶格常数分别为ａ邋＝邋０．３１８９邋ｎｍ，ｃ邋＝邋０．５１８５邋ｎｍ。逡逑闪锌矿结构是ＧａＮ材料的亚稳态结构，属于Ｔｄ２邋（４３ｍ）点群和Ｔｄ邋（Ｆ－４３ｍ）逡逑空间群，它由沿对角线错位丨／４距离的两个面心立方子晶格镶嵌组成，其晶格常逡逑数通常为邋０．４５１邋ｎｍ｜４’５１。逡逑１逡逑

图１．２．２ＧａＮ和ＡＩＧａＮ自发及压ｉＵ极化示意图逡逑／ＧａＮ邋ＨＥＭＴ功率电子器件逡逑ＧａＮ邋基高电子迁移率晶体管（ｈｉｇｈ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｏｂｉｌｉｔｙ邋ｔｒａｎｓ／ＧａＮ异质结的极化特性，在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结界面效应，在界面处ＧａＮ—侧形成三角势阱，电子束缚在势界面的薄层中运动，即为二维电子气（２ＤＥＧ）。通过控的浓度可以实现对沟道通断的控制，即为高电子迁移，（ａ）为ＡｌＧａＮ／ＧａＮ邋ＨＥＭＴ器件结构与材料极化效构图。由于异质结界面处二维电子气的存在，，ＡｌＧａＮ／密度、高击穿电压、低导通电阻、高工作频率等优点，对大功率、高功效、高频、高速的要求１〃１。逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2627997