基于电场调制技术的垂直型GaN基功率器件研究
发布时间：2020-12-27 00:54
近年来,GaN基垂直型功率器件以其芯片面积小、击穿电压高、电流崩塌抑制能力强等优势而成为国内外研究的热点和焦点。然而,当前的GaN基垂直型功率器件中击穿电压和导通电阻之间的矛盾依然十分突出,尤其是受制于实现高P型掺杂浓度这一技术瓶颈,导致具有高击穿电压、低导通电阻的GaN基垂直型功率器件的研制具有非常大的挑战。针对上述问题,本论文开展了多种新型GaN基垂直型功率器件的研究工作,基于数值仿真技术剖析了各器件的工作机制,深入研究、分析了器件的结构参数、材料参数等对器件导通和阻断特性的影响,并进行了器件结构的优化设计,显著缓解了器件中击穿电压和导通电阻之间的矛盾,获得一些具有实际指导意义的研究结果和规律。本文的主要研究工作和结果如下:提出了一种具有渐变Al组分且等分厚度缓冲层的槽栅型功率器件（GGU-CAVET）及一种具有渐变Al组分且非等分厚度缓冲层的槽栅型功率器件（GGN-CAVET）,仿真分析了器件结构参数对击穿电压和导通电阻的影响规律,剖析了器件的工作机制。结果表明,GGU-CAVET和GGN-CAVET的最高击穿电压分别为2026V和2173V,均略高于传统物理掺杂GaN基超结垂直...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
已发表成果与Si，GaAs，4H-SiC，GaN的理论极限比较
2.1 传统 GaN 基 CAVET 器件的结构与仿真模型图2.1 传统 GaN 基 CAVET 器件结构示意图图 2.1 为传统 GaN 基 CAVET 器件的结构示意图，其为左右对称结构。最下层为漏极，与其上的 n+掺杂的 GaN 衬底之间形成欧姆接触。衬底之上通过同质外延形成n-掺杂的 GaN 缓冲层，随后通过在 GaN 材料掺入 Mg 形成 P 型掺杂的电流阻挡层CBL 以及 CBL 之间的 n--GaN 孔径。随后再外延依次形成 40nm 厚的 GaN 沟道层和20nm 厚的 AlGaN 势垒层，势垒层上有 p+掺杂的 GaN 帽层以及绝缘介质 SiN 层，两边的源极与 GaN 沟道层以及 AlGaN 势垒层形成欧姆接触，P+-GaN 帽层上的栅极与其形成肖特基接触。在关态下通过 p+-GaN 帽层和 P 型掺杂的 CBL 将沟道中的二维电子气耗尽而使器件在零偏压下关断。
82.1.1 二维电子气、三维电子气及三维空穴气的形成机理图2.2 纤锌矿晶格结构示意图[53]GaN 通常以两种形式存在——在室温和常压情况下热力学性质稳定的六方纤锌矿（Wurtzite，WZ）晶格结构或者亚稳态结构六方闪锌矿（Zinkblende，ZB）晶格结构。因为功率器件通常工作环境温度较高，所以研究人员一般使用前者来制作 GaN基功率器件。图 2.2 是 GaN 的六方纤锌矿结构的晶格结构示意图并且图中的灰色原子为 Ga 原子而黄色原子为 N 原子，由图可知纤锌矿晶格结构是 Ga 原子构成的亚晶格与 N 原子构成的亚晶格沿 c 轴互相套构而成，其晶格常数 a0=0.3189nm 和c0=0.5185nm[53]。纤锌矿结构的 GaN 材料是六方密堆积结构，其密排面为（0001）并且 6 个 Ga 原子和 6 个 N 原子组成了一个 GaN 晶胞。表2.1 不同材料的自发极化与压电极化参数[54]材料参数AlN GaN InN晶格常数 a
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化镓技术在雷达中的应用现状与发展趋势[J]. 蔡志清. 电子技术与软件工程. 2019(04)
[2]宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展[J]. 郝跃. 科技导报. 2019(03)
[3]竞争性国企核心竞争力的提升:现状、探源及反垄断法制完善——由中美贸易战中兴事件说起[J]. 张金艳. 税务与经济. 2018(06)
[4]一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直AlGaN/GaN HFET[J]. 赵子奇,杜江锋,杨谟华. 微电子学. 2014(05)
博士论文
[1]AlGaN/GaN HFET击穿特性分析与耐压新结构[D]. 赵子奇.电子科技大学 2013
[2]Ⅲ族氮化物半导体外延层薄膜的生长与表征研究[D]. 王党会.西安电子科技大学 2013
硕士论文
[1]新型高耐压垂直型GaN基功率器件的研究与设计[D]. 石朋毫.西安电子科技大学 2018
[2]垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究[D]. 葛安奎.西安电子科技大学 2017
[3]AlGaN/GaN HEMT高场退化的机理研究[D]. 姜元祺.西安电子科技大学 2014
本文编号：2940779
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
已发表成果与Si，GaAs，4H-SiC，GaN的理论极限比较
2.1 传统 GaN 基 CAVET 器件的结构与仿真模型图2.1 传统 GaN 基 CAVET 器件结构示意图图 2.1 为传统 GaN 基 CAVET 器件的结构示意图，其为左右对称结构。最下层为漏极，与其上的 n+掺杂的 GaN 衬底之间形成欧姆接触。衬底之上通过同质外延形成n-掺杂的 GaN 缓冲层，随后通过在 GaN 材料掺入 Mg 形成 P 型掺杂的电流阻挡层CBL 以及 CBL 之间的 n--GaN 孔径。随后再外延依次形成 40nm 厚的 GaN 沟道层和20nm 厚的 AlGaN 势垒层，势垒层上有 p+掺杂的 GaN 帽层以及绝缘介质 SiN 层，两边的源极与 GaN 沟道层以及 AlGaN 势垒层形成欧姆接触，P+-GaN 帽层上的栅极与其形成肖特基接触。在关态下通过 p+-GaN 帽层和 P 型掺杂的 CBL 将沟道中的二维电子气耗尽而使器件在零偏压下关断。
82.1.1 二维电子气、三维电子气及三维空穴气的形成机理图2.2 纤锌矿晶格结构示意图[53]GaN 通常以两种形式存在——在室温和常压情况下热力学性质稳定的六方纤锌矿（Wurtzite，WZ）晶格结构或者亚稳态结构六方闪锌矿（Zinkblende，ZB）晶格结构。因为功率器件通常工作环境温度较高，所以研究人员一般使用前者来制作 GaN基功率器件。图 2.2 是 GaN 的六方纤锌矿结构的晶格结构示意图并且图中的灰色原子为 Ga 原子而黄色原子为 N 原子，由图可知纤锌矿晶格结构是 Ga 原子构成的亚晶格与 N 原子构成的亚晶格沿 c 轴互相套构而成，其晶格常数 a0=0.3189nm 和c0=0.5185nm[53]。纤锌矿结构的 GaN 材料是六方密堆积结构，其密排面为（0001）并且 6 个 Ga 原子和 6 个 N 原子组成了一个 GaN 晶胞。表2.1 不同材料的自发极化与压电极化参数[54]材料参数AlN GaN InN晶格常数 a
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮化镓技术在雷达中的应用现状与发展趋势[J]. 蔡志清. 电子技术与软件工程. 2019(04)
[2]宽禁带与超宽禁带半导体器件新进展[J]. 郝跃. 科技导报. 2019(03)
[3]竞争性国企核心竞争力的提升:现状、探源及反垄断法制完善——由中美贸易战中兴事件说起[J]. 张金艳. 税务与经济. 2018(06)
[4]一种带有极化掺杂电流阻挡层的垂直AlGaN/GaN HFET[J]. 赵子奇,杜江锋,杨谟华. 微电子学. 2014(05)
博士论文
[1]AlGaN/GaN HFET击穿特性分析与耐压新结构[D]. 赵子奇.电子科技大学 2013
[2]Ⅲ族氮化物半导体外延层薄膜的生长与表征研究[D]. 王党会.西安电子科技大学 2013
硕士论文
[1]新型高耐压垂直型GaN基功率器件的研究与设计[D]. 石朋毫.西安电子科技大学 2018
[2]垂直型GaN基HEMT器件的耐压特性研究[D]. 葛安奎.西安电子科技大学 2017
[3]AlGaN/GaN HEMT高场退化的机理研究[D]. 姜元祺.西安电子科技大学 2014
本文编号：2940779
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