硅基AlGaN/GaN HEMT高频开关器件研究
发布时间：2020-12-11 14:06
氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料,具有高击穿场强、高电子迁移率以及较强的抗辐射能力和良好的导热性能等优点受到人们的广泛关注。目前在GaN开关器件的研究与应用中取得了喜人的进展,但是作为其技术核心的GaN高频芯片在研制中还存在着一些问题,尤其是国内在低于100 V电压等级的高频AlGaN/GaN功率器件的研究与应用方面基本处于空白状态。因此,本论文的研究工作围绕Si基高频AlGaN/GaN HEMT电力电子功率芯片,我们从芯片设计和工艺入手,通过设计合理的器件结构,解决高频AlGaN/GaN HEMT在工艺中的诸多问题,降低器件的导通电阻和寄生参数,提高芯片的工作频率和开关速度,并满足高击穿电压和大电流的需求。本论文的主要内容如下:1.AlGaN/GaN MIS-HEMT高频开关器件的制备与研究。我们设计了不同栅宽、栅长、栅源间距尺寸的器件,不断优化工艺,对器件的直流特性与频率特性进行了比较与分析。以栅长、栅源间距和栅漏间距分别为0.75 μm、1μm和3 μm的不带场板结构器件为例,其阈值电压为-4.2V;欧姆接触电阻为0.3Ω·mm;最大跨导为176mS/mm;饱和电流密度为99...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ与Ｓｉ的材料特性对比??由于我们研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作电路中主要起到开关的作用，所以??
Ｈｉｇｈ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ??图１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ与Ｓｉ的材料特性对比??由于我们研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作电路中主要起到开关的作用，所以??衡量器件性能的两个重要状态分别为开态和关态。当器件处于开态时，一个重要参数为??器件的本征导通电阻ＲＯＮ．ＳＰ。当器件关闭时，栅下载流子处于耗尽状态，源漏承受较高??电压，这时更关注器件的击穿电压ＢＶ?（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?ｖｏｌｔａｇｅ）。图１．２所７Ｋ为基于三种材??料的器件的击穿电压与特征导通电阻的关系曲线。近年来，相关文献报道的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??ＨＥＭＴ电力电子器件具有非常好的性能，有些报道的器件性能己经超过了?Ｓｉ、ＧａＡｓ，??甚至ＳｉＣ材料的理论极限［７＿８］。??１０?ｂ?＇?＇?１?＇?１?＇?￣￣?？?＇?＾??１?／?／／??￡?１?＿?／?４Ｈ－ＳＩＣ?Ｌｉｍｉｔ／／?＿??ｉ?／?／／??／ｊＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??０．１?＾ｉ?…ｉ／Ｚ?．＿??１００?尋?＞?１０００??图１．２Ｓｉ、ＳｉＣ、和ＧａＮ基器件的击穿电压与特征导通电阻的关系曲线??ＧａＮ基ＨＥＭＴ在局频开关领域发展迅速，在尚频局效率开关应用、局功率密度、??栅极驱动电路设计等方面取得了长足的进步
六方纤锌矿结构（简称纤锌矿，ｗｕｒｔｚｉｔｅ）和立方闪锌矿结构（ｚｉｎｃ－ｂｌｅｎｄｅ）是ＩＩＩ族??氮化物半导体材料的两种主要晶体类型。在ＩＩＩ族氮化物半导体器件中，ＧａＮ材料应用更??为广泛，且具有代表性，在讨论中我们主要以ＧａＮ材料为例，图２．１所示为ＧａＮ材料??的两种主要晶体结构。ＧａＮ材料是一种化合物半导体材料，原子间的化学键既有共价键??成分，也有离子键成分，离子键成分越多则晶体的离子性越强，越容易形成纤锌矿结构。??ＧａＮ材料属于强离子晶体，因此，纤锌矿结构的ＧａＮ材料是最为普遍的，而闪锌矿结??构为亚稳态结构，研宄较少［３７］。??Ｃｊ３１?＾＾０??（ａ）纤锌矿结构?胃?闪锌矿结构??图２．１?ＧａＮ材料的两种晶体结构［３７Ｉ??在本论文中，我们对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的研究重点是对其电学特性的研宄，而ＧａＮ??的晶体结构和能带结构对ＧａＮ的电学特性有着关键性的作用。在未有意掺杂的ＧａＮ材??料外延生长中，所生长出来的ＧａＮ材料基本上都是ｎ型。然而ｐ型的ＧａＮ材料及器件??在实际的生活中也有着非常广泛的应用，例如Ｐ－ＧａＮ的増强型器件，为了制作Ｐ型的??ＧａＮ材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率半导体器件在电网中的应用及发展展望[J]. 邱宇峰. 高科技与产业化. 2017(01)
[2]宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用[J]. 董耀文,秦海鸿,付大丰,徐华娟,严仰光. 电源学报. 2016(04)
[3]GaN高频开关电力电子学的新进展[J]. 赵正平. 半导体技术. 2016(01)
[4]氮化镓干法刻蚀研究进展[J]. 王冲,郝跃,冯倩,郭亮良. 半导体技术. 2006(06)
博士论文
[1]微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究[D]. 汪昌思.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]一种新型GaN功率开关器件（GIT）中子辐照效应研究[D]. 张得玺.西安电子科技大学 2015
本文编号：2910661
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ与Ｓｉ的材料特性对比??由于我们研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作电路中主要起到开关的作用，所以??
Ｈｉｇｈ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ??图１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ与Ｓｉ的材料特性对比??由于我们研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作电路中主要起到开关的作用，所以??衡量器件性能的两个重要状态分别为开态和关态。当器件处于开态时，一个重要参数为??器件的本征导通电阻ＲＯＮ．ＳＰ。当器件关闭时，栅下载流子处于耗尽状态，源漏承受较高??电压，这时更关注器件的击穿电压ＢＶ?（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?ｖｏｌｔａｇｅ）。图１．２所７Ｋ为基于三种材??料的器件的击穿电压与特征导通电阻的关系曲线。近年来，相关文献报道的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??ＨＥＭＴ电力电子器件具有非常好的性能，有些报道的器件性能己经超过了?Ｓｉ、ＧａＡｓ，??甚至ＳｉＣ材料的理论极限［７＿８］。??１０?ｂ?＇?＇?１?＇?１?＇?￣￣?？?＇?＾??１?／?／／??￡?１?＿?／?４Ｈ－ＳＩＣ?Ｌｉｍｉｔ／／?＿??ｉ?／?／／??／ｊＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??０．１?＾ｉ?…ｉ／Ｚ?．＿??１００?尋?＞?１０００??图１．２Ｓｉ、ＳｉＣ、和ＧａＮ基器件的击穿电压与特征导通电阻的关系曲线??ＧａＮ基ＨＥＭＴ在局频开关领域发展迅速，在尚频局效率开关应用、局功率密度、??栅极驱动电路设计等方面取得了长足的进步
六方纤锌矿结构（简称纤锌矿，ｗｕｒｔｚｉｔｅ）和立方闪锌矿结构（ｚｉｎｃ－ｂｌｅｎｄｅ）是ＩＩＩ族??氮化物半导体材料的两种主要晶体类型。在ＩＩＩ族氮化物半导体器件中，ＧａＮ材料应用更??为广泛，且具有代表性，在讨论中我们主要以ＧａＮ材料为例，图２．１所示为ＧａＮ材料??的两种主要晶体结构。ＧａＮ材料是一种化合物半导体材料，原子间的化学键既有共价键??成分，也有离子键成分，离子键成分越多则晶体的离子性越强，越容易形成纤锌矿结构。??ＧａＮ材料属于强离子晶体，因此，纤锌矿结构的ＧａＮ材料是最为普遍的，而闪锌矿结??构为亚稳态结构，研宄较少［３７］。??Ｃｊ３１?＾＾０??（ａ）纤锌矿结构?胃?闪锌矿结构??图２．１?ＧａＮ材料的两种晶体结构［３７Ｉ??在本论文中，我们对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的研究重点是对其电学特性的研宄，而ＧａＮ??的晶体结构和能带结构对ＧａＮ的电学特性有着关键性的作用。在未有意掺杂的ＧａＮ材??料外延生长中，所生长出来的ＧａＮ材料基本上都是ｎ型。然而ｐ型的ＧａＮ材料及器件??在实际的生活中也有着非常广泛的应用，例如Ｐ－ＧａＮ的増强型器件，为了制作Ｐ型的??ＧａＮ材料
【参考文献】：
期刊论文
[1]功率半导体器件在电网中的应用及发展展望[J]. 邱宇峰. 高科技与产业化. 2017(01)
[2]宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用[J]. 董耀文,秦海鸿,付大丰,徐华娟,严仰光. 电源学报. 2016(04)
[3]GaN高频开关电力电子学的新进展[J]. 赵正平. 半导体技术. 2016(01)
[4]氮化镓干法刻蚀研究进展[J]. 王冲,郝跃,冯倩,郭亮良. 半导体技术. 2006(06)
博士论文
[1]微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究[D]. 汪昌思.电子科技大学 2016
硕士论文
[1]一种新型GaN功率开关器件（GIT）中子辐照效应研究[D]. 张得玺.西安电子科技大学 2015
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