GaN基高压功率MOSFET REBULF新结构

发布时间：2020-05-13 00:23

【摘要】：功率开关晶体管是电力电子系统的核心器件。氮化镓(GaN)因其具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度大等优势,使之在电力电子系统具有巨大的应用潜力。因此,设计具有高阈值电压、低导通电阻、低反向泄漏电流、高击穿电压的高性能GaN功率开关器件具有重要价值。本文针对传统AlGaN/GaN HFET存在的问题(阈值电压低、电场分布不均匀、反向阻断能力弱等),分别提出了具有埋层结势垒的横向AlGaN/GaN BJB-HFET新结构和具有GaN/AlGaN/GaN双异质结的纵向功率DH-VMOS新结构。主要研究内容如下:(1)提出一种具有结势垒埋层的高压增强型HFET器件新结构(Buried-Junction-Barrier for Breakdown Improvement and Threshold-Voltage Modulation,BJB-HFET)。BJB-HFET的特点为:1、通过在栅极下方区域引入平行于二维电子气(2-DEG)沟道的结势垒埋层(BJB)。BJB结构一方面会在buffer层中引入电子阻挡层,从而有效降低器件在耐压时buffer层的反向泄漏电流。另一方面,BJB-HFET反向耐压时,PN结的耗尽区会随着反偏电压的增大而向漏极扩展。因此,BJB结构能够调控沟道电场重新分布从而降低器件体内电场(REduce BULk Field-REBULF),尤其是降低栅漏边缘附近的电场峰值。仿真表明,与没有BJB结构相比,栅漏间距为5μm的BJB-HFET的最大电场峰值降低了60%,且其buffer层反向泄漏电流降低了约5个数量级(V_(DS)=383 V),击穿电压提升约211%。2、由于位于栅极下方的BJB结构起到背势垒的作用能够抬升其上方异质结能带,因此BJB-HFET也获得了更高的阈值电压(3.4 V)。(2)提出了具有GaN/AlGaN/GaN双异质结的纵向功率MOSFET新结构(A Novel Enhancement-Mode GaN Vertical MOSFET with Double Hetero-Junction for Threshold Voltage Modulation,DH-VMOS)。DH-VMOS的特点为:1、在纵向GaN漂移区之上设计横向GaN-top/AlGaN/GaN双异质结。通过改变GaN-top层的厚度来调节双异质结的极化效应,进而实现对器件阈值电压大范围灵活的调控。仿真结果表明,将GaN-top层的厚度从5 nm增加到40 nm,DH-VMOS新结构的阈值电压相应地从+2.9 V增大到+4 V。2、存在于AlGaN/GaN下异质结界面处的2-DEG沟道是器件电流沟道的主要组成部分,高迁移率的2-DEG有助于减小DH-VMOS器件的导通电阻。3、在纵向GaN漂移区引入P-GaN来优化电场从而实现高耐压。此外,本工作也着重研究了浮空P-GaN的关键参数(如物理尺寸、掺杂浓度)对器件电学特性的影响,而这些研究结果对材料生长、器件设计起到重要的参考作用。
【图文】：

业等诸多领域。因此，开发更高性能的半导体功率开关器件是节约电能改善人类生活环境的现实要求，是绿色经济发展的必然趋势。图1-1 电力电子系统存在于电能利用的各个环节因为第一代半导体硅（Si）易于加工、可用性和有关其材料特性的丰富信息，在很长一段时间内一直是功率器件的首选材料。基于第一代半导体材料硅，目前业界主流功率开关器件有二极管（Diode）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。然而，，越来越复杂的电力电子系统（如自动驾驶汽车激光雷达系统、无线充电、快速充电、数据中心服务器电源架构以及工作环境更加苛刻的航天领域）对半导体功率开关器件的功率密度、工作速度、体积、能耗比、可靠性以及在恶劣的环境下工作的可靠性提出了更高性能的要

能的材料特性（如禁带宽度、临界击穿电场、抗福噪能力、载流子迁移率、沟道电子饱和速度以及热传导率等）来满足 Si 基器件难以企及的新兴电力电子系统。图1-2 未来功率器件复杂系统应用图1-3 未来功率器件在航天、通讯等领域系统应用研究发现，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代宽带隙半导体凭借其独特的材料特性很适合做功率开关器件。近年来，GaN 基电力电子技术受到业界的广泛关注，特别是 AlGaN/GaN 异质结由于自发极化和压电极化产生高迁移率、高浓度的二维电子气（2-DEG）[1-2]非常适合开发具有低导通电阻、高电流密度的开关器件。相比于传统的 Si 半导体材料，其电子饱和速度、禁带宽度、临界击穿电场都有显著的优势（如表 1-1）。更重要的是，由于宽带隙、高临界击穿电场
【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】：TN386

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本文编号：2661066