硅基GaN垂直结构功率二极管的研究

发布时间：2020-06-22 22:05

【摘要】：半导体功率电子器件是电能转换的核心元器件,广泛应用于风电、光伏、轨交、电动汽车、家电等领域。功率二极管作为一种整流器,是各类功率电路中不可缺少的关键元器件。相比于传统的硅功率二极管,GaN基功率二极管因其出色的材料特性(如高临界击穿场强、高电子饱和漂移速率等),在相同的击穿电压下,器件导通损耗可大幅降低。目前,GaN自支撑衬底尺寸较小,价格昂贵,严重影响GaN基垂直结构功率二极管的实用化。采用大尺寸硅衬底来异质外延生长GaN,有望大幅降低制造成本。本论文围绕硅基GaN垂直结构功率二极管(主要包括PiN和肖特基功率二极管(Schottky Barrier Diode,SBD))的外延生长、器件工艺以及器件性能等开展了较为深入的研究。主要工作内容包括:1.无裂纹、低位错密度硅基GaN厚层的外延生长。设计合理的Al组分梯度渐变的AlN/AlGaN应力缓冲层,建立压应力,一方面,用来抵消降温过程中硅与GaN之间热膨胀系数失配导致的张应力,从而实现无裂纹硅基GaN的外延生长;另一方面,该压应力与穿透位错相互作用,促进位错倾斜、拐弯,进而发生湮灭,从而得到低位错密度的硅基GaN薄膜。通过以上技术手段,最终实现了总厚度9.4 μm(其中漂移区厚度5.5 μm)、位错密度低至8×107 cm-2的高质量硅基GaN SBD外延结构。进一步,室温PL和CL测试结果发现,漂移区GaN无明显深能级缺陷相关的黄光发光带,表明制备的硅基GaN外延薄膜中点缺陷浓度较低、光学质量优异,为高性能的硅基GaN垂直结构功率二极管的制备打下坚实基础。2.硅衬底上高质量、轻掺杂GaN漂移区重复、可控的生长。硅基GaN垂直结构功率二极管的器件导通电阻和击穿电压与GaN漂移区中的载流子浓度密切相关。本文系统研究了当器件中GaN漂移区采用SiH4进行轻掺杂时,MOCVD外延生长条件对其载流子浓度的影响。研究发现:高温、高压以及低生长速率的条件,有利于抑制GaN中作为受主的背景杂质C的并入,且能够获得高质量GaN;Si杂质的并入会随着生长速率降低而增多。通过实验,获得了轻掺杂GaN漂移区的外延生长条件,并实现其载流子浓度在0.5～5 × 1016 cm-3范围内精确可控。3.硅基GaN垂直结构PiN和SBD器件的深台面刻蚀工艺开发。主要包括厚层漂移区GaN的刻蚀及台面侧壁的刻蚀损伤修复。研究发现:(1)与光刻胶和Si02相比,金属Ni作为刻蚀掩膜材料时,金属Ni与GaN的刻蚀选择比最高,且刻蚀后的GaN台面侧壁及底部均较光滑;(2)利用金属Ni作为掩膜,GaN台面侧壁的刻蚀损伤层在碱性溶液中可选择性地被腐蚀。进一步,分析器件反向漏电流随尺寸变化,发现其反向漏电流大小与器件尺寸之间无明显线性关系,证明利用碱性溶液可以有效去除侧壁刻蚀损伤,消除器件表面漏电。4.面向SBD器件的Ni/Au与GaN的肖特基接触工艺优化。研究发现:Ni/Au与轻掺杂n--GaN形成的肖特基接触,在350～650 ℃ N2气氛中退火5 min,其肖特基势垒高度随退火温度的升高呈现先增大后减小的趋势,理想因子基本保持在1.1左右,且在550℃条件下退火,肖特基势垒高度最高(～1.1 eV,与理想情况接近),反向漏电流最低。5.基于上述研究工作,我们成功制备硅基GaN垂直结构PiN和SBD功率二极管器件。对于PiN器件,其漂移区厚度为2.5 μm,正向导通电阻可低至0.6 mΩ·cm2,无任何终端结构情况下,器件反向击穿电压～370V,对该器件的研究,可为后续进一步制备,理解结势垒肖特基功率二极管的特性打基础。对于SBD器件,其GaN漂移区厚度为3 μm,载流子浓度～8.5×1015 cm-3,器件的正向导通电阻Ron约为1.12 mΩ·cm2,理想因子～1.07,肖特基势垒高度～1.02 eV。在无任何终端结构情况下,SBD器件的反向击穿电压可达395 V,BFOM=139 MW/cm2,此器件性能与无终端结构的GaN自支撑衬底上的SBD器件结果相当,器件性能在存在终端结构情况下可进一步提升。同时,本文对以上两种器件的反向漏电机理进行深入分析。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN313.4
【图文】：

第一章绪邋论逡逑人类社会的发展离不开能源。电能作为一种经济且容易控制、转换的能源形逡逑态，存在于现代人类生活的方方面面。电能从产生到使用存在一个复杂的传输过逡逑程，需经历一系列ＡＣ／ＤＣ转换。在这些转换过程中不可避免地会出现能量损耗逡逑【｜１。因此，作为电力控制和电能转换的核心器件一半导体功率器件，人们对其要逡逑求是：减少转换损耗，提高转换效率。逡逑对于理想的功率^u关器件，它需具有在零功耗下控制功率流向负载的能力，逡逑即在正向导通模式下，可实现零导通压降；在阻断模式下，可实现在零漏电流情逡逑况下，保持任何电压值；同时，能够在任何频率下进行开关操作。而对于实际功逡逑率开关器件，它在正向导通时，存在电压降；阻断时，存在漏电流［２］。因此，对逡逑于实际功率开关器件，对其要求是具有低通态电阻（Ｕ、高击穿电压（ＶＢ）和逡逑快速开关能力，以提供高功率、低损耗的转换。功率二极管作为功率开关中最基逡逑本的器件，是功率转换电路中必不可少的部分。图１．１所示，分别为理想和实际逡逑情况下，功率二极管的正反向特性曲线。逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑

图１．２邋ＧａＮ基横向和垂直结构功率二极管示意图逡逑１．３邋ＧａＮ垂直二

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本文编号：2726309