高压增强型GaN HFET机理与新结构研究

发布时间：2020-12-11 00:51

　　AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（AlGaN/GaN HFET）因其优异的材料特性、良好的器件性能,被认为是未来替代硅基功率器件的热门选择之一。AlGaN/GaN异质结在形成高面密度、高电子迁移率的二维电子气（2DEG）的同时也使得传统AlGaN/GaN HFET本质上为耗尽型器件,限制了其在功率电子领域的应用。其次,栅极电场集中效应与缓冲层漏电等问题容易引发AlGaN/GaN HFET提前击穿,导致器件的平均击穿电场远低于GaN材料的临界击穿电场。为解决上述问题,本论文提出了两种新型AlGaN/GaN HFET功率器件,并对其机理、静态特性及关键参数展开了研究。1.针对传统AlGaN/GaN HFET击穿电压远低于理论值及阈值电压与开态电流之间存在制约关系的问题,本文提出了一种对称极化掺杂增强型AlGaN/GaN HFET功率器件。该结构采用Al组分对称渐变的AlGaN势垒层,因极化梯度而分别在正向渐变AlGaN层和逆向渐变AlGaN层中诱导产生三维电子气（3DEG）和三维空穴气（3DHG）。第一,正向渐变AlGaN层中存在的高浓度3DEG显著提升器件的输出电流。第二,新结构利用... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

不同半导体材料比导通电阻与击穿电压的理论极限图

aN 功率器件的比导通电阻与硅基功率器件相比要低三个数量级以上电阻可以显著降低器件的导通损耗。AlGaN/GaN 异质结可极化产生电子气（2DEG），这是同为第三代半导体材料 SiC 所不具有的，因 SiC 相比仍有较大的优越性。随着硅基 GaN 异质外延技术日益成熟以与传统硅基 CMOS 工艺兼容，使得 GaN 器件的成本远低于 SiC 器一代移动通信技术等应用对电力电子器件高频率、宽带宽、高效率成本的需求。aN 与 SiC 电力电子器件有比较清晰的市场划分，SiC 器件主要用于高压工业应用领域，GaN 功率器件则在 900 V 以下有较大优势。根战略咨询公司 Yole Développement（简称 Yole）2017 年发布的一份率器件市场规模将从 2017 年的 2000 万美元增长至 2022 年的 4.6 亿aN 电力电子器件市场升温的主要因素为收入巨大的汽车电子和消费增长，此外，航空航天、军事及国防等领域越来越多地应用 GaN 射是其主要推动因素。

(a) (b)图 1-3 GaN 晶格结构示意图。(a)纤锌矿晶体结构；(b)闪锌矿晶体结构作为第三代半导体材料的典型代表之一，GaN 具备高禁带宽度（3.4eV击穿电场（3.3MV/cm）、高电子饱和速度（2.5 107cm/s）、耐高温、化学以及抗辐射等优良特性，非常适合应用于高频大功率器件，因此逐渐受多研究者的关注。表 1-1 列出了几种常见半导体材料的物理参数，通过对以看出 GaN 材料具有明显的优势，在未来的功率应用领域，GaN 材料被i 的理想替代材料。表 1-1 几种常见半导体的材料参数[4-5,41]材料 Si GaAs（砷化镓） 4H-SiC GaN相对介电常数 11.9 12.5 10 9.5禁带宽度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4


本文编号：2909598