GaN HEMT抗单粒子辐照加固结构模拟研究
发布时间：2021-01-19 23:05
在近些年,氮化镓（GaN）材料得到了大量的研究。作为第三代半导体材料的典型代表,GaN具有出色的性能,由GaN制成的器件得到了广泛的应用。虽然,在GaN材料研究方面人类取得了明显的进步,但是其材料的优越性能还没有完全开发出来,GaN器件还有一些问题存在,如栅电场集中效应、击穿电压低和抗辐照加固等问题。另外,人们对于GaN器件的抗辐照研究相对较少,特别是器件的加固方法研究。所以,本文就围绕GaN器件的抗辐照加固结构展开研究,期望在不牺牲器件基础特性的条件下改善器件的单粒子烧毁（SEB）效应,充分发挥出GaN材料的优势。本文以传统的栅场板结构作为基础结构,研究了两种加固器件结构,主要内容分为两个部分:第一部分,研究了一种具有AlGaN插入层的加固结构。该插入层起到了背势垒的作用,降低了缓冲层泄漏电流,从而提高器件的击穿电压。同时,由于禁带宽度的不同,AlGaN插入层引入了一个新的量子阱,将由辐射产生的大量电子限制在新量子阱中而无法注入到导电沟道,使得新碰撞电离出的电子-空穴对的数目减少,从而提高器件的SEB特性。通过仿真软件优化参数,加固结构的击穿电压和SEB阈值电压分别达到了828 V和...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
采用压电中和技术的槽栅MIS-HEMT[9]
杭州电子科技大学硕士学位论文5而受主杂质Mg的电离能较高（0.14~0.21eV），高质量的P-GaN很难实现。1.2.2GaNHEMT器件的耐压研究针对GaNHEMT器件的耐压研究，国内外学者做了大量的研究工作，主要是从以下几个方面改善器件的击穿电压：①电场调制图1.2栅极电场集中效应针对栅极电场集中效应问题，有学者提出采用场板结构解决。如图1.2所示，耗尽层在边界处发生弯曲，正电荷发出的电力线集中指向栅电极的漏端一侧，从而造成栅电极漏侧发生电场集中效应。在栅极靠漏极一侧引入金属场板，这相当于在耗尽层的上方引入了固定的负电荷，能够吸引一部分来自耗尽层正电荷发出的电力线，改善耗尽层边界处的弯曲程度，降低了栅极的电场峰值，使栅极和漏极之间的电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，避免器件提前击穿。2013年，西安电子科技大学的赵胜雷等人通过仿真研究了具有栅和漏场板HEMT结构的电学特性，仿真结果表明栅漏间距在10μm的情况下，器件的击穿电压达到了1085V，而且场板的引入对器件的阈值电压和输出特性几乎没有影响[12]。然而场板的引入也会对器件的其它特性产生不利的影响，比如会给器件带来额外的电容，这样会对HEMT器件的频率产生负面影响。因此由学者提出栅漏之间采用多个浮空的金属块，不仅能够起到调制沟道电尝提高器件的击穿电压的的作用，还避免了额外电容的引入。②Resurf技术1979年，飞利浦公司的Appels等人提出了降低表面电场技术（ReducedSurfaceField，Resurf），并成功地应用在隔离器件上[13]。Resurf技术利用了器件中电场分布的二维效应，当垂直方向的p衬底/n外延结附近电场未达到临界电场时，使得整个漂移区完全耗尽，此时外延层的电势分布变得很均匀，降低了表面电常2001年，Karmalkar等人将RESURF技术应
能离开量子阱，因此器件的击穿电压得以提高。另一种是利用两种禁带宽度不同的半导体材料，交替生长形成缓冲层，由于导带和价带发生周期性变化形成了多个量子阱，同样可以限制泄露电子，提高器件的击穿电压。2009年，Selvaraj等人采用多组AlN/GaN形成超晶格结构，获得了击穿电压为403V的器件[23]。2012年，尹江龙等人采用P-GaN和N-GaN交替变化的超晶格结构，使得器件的泄漏电流降低，击穿电压从基础结构的73V提高到880V，击穿电压得到了大幅度的提升[24]。2018年，Lee等人[25]将背势垒技术和缓冲层掺C技术结合在一起（如图1.3所示），形成周期性掺C的GaN缓冲层和AlGaN背势垒结构，实现了栅漏间距为10μm的情况下，器件的击穿电压超过了2000V，优值为2.27GV2Ω1cm2。图1.3周期性C掺杂的GaN缓冲层和AlGaN背势垒结构1.2.3GaNHEMT器件的抗辐照研究近几十年来，科学技术发生了巨大的变化，人类的脚步逐渐向地球之外的宇宙空间迈进。而在探索宇宙空间的过程中，航天电子系统扮演着重要的角色，担负着处理各种信息的任务，它的核心是各种集成电路和半导体器件。因此，这些集成电路和半导体器件的寿命往往决定了航天系统的寿命。在宇宙空间中含有各种高能粒子，航天系统处于这样的环境中会时刻受到高能粒子的威胁。当高能离子作用到这些集成电路和半导体器件后，会引发一系列的效应，单粒子效应就是其中一种重要的效应。单粒子效应（SingleEventEffect，SEE）是指单个高能粒子入射到电子器件的敏感区时造成器件状态发生非正常改变的一种辐射效应，它是伴随着
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应[J]. 刘静,王琳倩,黄忠孝. 物理学报. 2019(24)
[2]影响AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件2DEG的因素[J]. 张子砚. 电子世界. 2018(11)
[3]具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管[J]. 张力,林志宇,罗俊,王树龙,张进成,郝跃,戴扬,陈大正,郭立新. 物理学报. 2017(24)
[4]具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析[J]. 郭海君,段宝兴,袁嵩,谢慎隆,杨银堂. 物理学报. 2017(16)
[5]Influence of the Diamond Layer on the Electrical Characteristics of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors[J]. 郑雪峰,王奥琛,侯晓慧,王颖哲,文浩宇,王冲,卢阳,毛维,马晓华,郝跃. Chinese Physics Letters. 2017(02)
[6]Novel high voltage RESURF Al GaN/GaN HEMT with charged buffer layer[J]. Jiayun XIONG,Chao YANG,Jie WEI,Junfeng WU,Bo ZHANG,Xiaorong LUO. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
[7]一种带有背电极的高耐压AlGaN/GaN RESURF HEMT[J]. 赵子奇,杜江锋,杨谟华. 微电子学. 2013(06)
[8]Influence of a drain field plate on the forward blocking characteristics of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor[J]. 赵胜雷,陈伟伟,岳童,王毅,罗俊,毛维,马晓华,郝跃. Chinese Physics B. 2013(11)
硕士论文
[1]AlGaN/GaN凹槽栅MISHEMT器件工艺与新结构研究[D]. 庞慧娇.电子科技大学 2017
[2]AlGaN/GaN HEMT短沟道效应与耐压新结构探索[D]. 潘沛霖.电子科技大学 2016
[3]Si基GaN横向功率二极管新结构研究[D]. 靳旸.电子科技大学 2016
[4]超晶格AlGaN沟道异质结特性研究[D]. 谭艳琼.西安电子科技大学 2014
[5]AlGaN/GaN HEMT开关功率器件及模型研究[D]. 尉中杰.电子科技大学 2014
[6]功率AlGaN/GaN HEMT缓冲层设计和耐压新结构[D]. 尹江龙.电子科技大学 2013
本文编号：2987860
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
采用压电中和技术的槽栅MIS-HEMT[9]
杭州电子科技大学硕士学位论文5而受主杂质Mg的电离能较高（0.14~0.21eV），高质量的P-GaN很难实现。1.2.2GaNHEMT器件的耐压研究针对GaNHEMT器件的耐压研究，国内外学者做了大量的研究工作，主要是从以下几个方面改善器件的击穿电压：①电场调制图1.2栅极电场集中效应针对栅极电场集中效应问题，有学者提出采用场板结构解决。如图1.2所示，耗尽层在边界处发生弯曲，正电荷发出的电力线集中指向栅电极的漏端一侧，从而造成栅电极漏侧发生电场集中效应。在栅极靠漏极一侧引入金属场板，这相当于在耗尽层的上方引入了固定的负电荷，能够吸引一部分来自耗尽层正电荷发出的电力线，改善耗尽层边界处的弯曲程度，降低了栅极的电场峰值，使栅极和漏极之间的电场分布更加均匀，从而提高器件的击穿电压，避免器件提前击穿。2013年，西安电子科技大学的赵胜雷等人通过仿真研究了具有栅和漏场板HEMT结构的电学特性，仿真结果表明栅漏间距在10μm的情况下，器件的击穿电压达到了1085V，而且场板的引入对器件的阈值电压和输出特性几乎没有影响[12]。然而场板的引入也会对器件的其它特性产生不利的影响，比如会给器件带来额外的电容，这样会对HEMT器件的频率产生负面影响。因此由学者提出栅漏之间采用多个浮空的金属块，不仅能够起到调制沟道电尝提高器件的击穿电压的的作用，还避免了额外电容的引入。②Resurf技术1979年，飞利浦公司的Appels等人提出了降低表面电场技术（ReducedSurfaceField，Resurf），并成功地应用在隔离器件上[13]。Resurf技术利用了器件中电场分布的二维效应，当垂直方向的p衬底/n外延结附近电场未达到临界电场时，使得整个漂移区完全耗尽，此时外延层的电势分布变得很均匀，降低了表面电常2001年，Karmalkar等人将RESURF技术应
能离开量子阱，因此器件的击穿电压得以提高。另一种是利用两种禁带宽度不同的半导体材料，交替生长形成缓冲层，由于导带和价带发生周期性变化形成了多个量子阱，同样可以限制泄露电子，提高器件的击穿电压。2009年，Selvaraj等人采用多组AlN/GaN形成超晶格结构，获得了击穿电压为403V的器件[23]。2012年，尹江龙等人采用P-GaN和N-GaN交替变化的超晶格结构，使得器件的泄漏电流降低，击穿电压从基础结构的73V提高到880V，击穿电压得到了大幅度的提升[24]。2018年，Lee等人[25]将背势垒技术和缓冲层掺C技术结合在一起（如图1.3所示），形成周期性掺C的GaN缓冲层和AlGaN背势垒结构，实现了栅漏间距为10μm的情况下，器件的击穿电压超过了2000V，优值为2.27GV2Ω1cm2。图1.3周期性C掺杂的GaN缓冲层和AlGaN背势垒结构1.2.3GaNHEMT器件的抗辐照研究近几十年来，科学技术发生了巨大的变化，人类的脚步逐渐向地球之外的宇宙空间迈进。而在探索宇宙空间的过程中，航天电子系统扮演着重要的角色，担负着处理各种信息的任务，它的核心是各种集成电路和半导体器件。因此，这些集成电路和半导体器件的寿命往往决定了航天系统的寿命。在宇宙空间中含有各种高能粒子，航天系统处于这样的环境中会时刻受到高能粒子的威胁。当高能离子作用到这些集成电路和半导体器件后，会引发一系列的效应，单粒子效应就是其中一种重要的效应。单粒子效应（SingleEventEffect，SEE）是指单个高能粒子入射到电子器件的敏感区时造成器件状态发生非正常改变的一种辐射效应，它是伴随着
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应[J]. 刘静,王琳倩,黄忠孝. 物理学报. 2019(24)
[2]影响AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件2DEG的因素[J]. 张子砚. 电子世界. 2018(11)
[3]具有p-GaN岛状埋层耐压结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管[J]. 张力,林志宇,罗俊,王树龙,张进成,郝跃,戴扬,陈大正,郭立新. 物理学报. 2017(24)
[4]具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析[J]. 郭海君,段宝兴,袁嵩,谢慎隆,杨银堂. 物理学报. 2017(16)
[5]Influence of the Diamond Layer on the Electrical Characteristics of AlGaN/GaN High-Electron-Mobility Transistors[J]. 郑雪峰,王奥琛,侯晓慧,王颖哲,文浩宇,王冲,卢阳,毛维,马晓华,郝跃. Chinese Physics Letters. 2017(02)
[6]Novel high voltage RESURF Al GaN/GaN HEMT with charged buffer layer[J]. Jiayun XIONG,Chao YANG,Jie WEI,Junfeng WU,Bo ZHANG,Xiaorong LUO. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
[7]一种带有背电极的高耐压AlGaN/GaN RESURF HEMT[J]. 赵子奇,杜江锋,杨谟华. 微电子学. 2013(06)
[8]Influence of a drain field plate on the forward blocking characteristics of an AlGaN/GaN high electron mobility transistor[J]. 赵胜雷,陈伟伟,岳童,王毅,罗俊,毛维,马晓华,郝跃. Chinese Physics B. 2013(11)
硕士论文
[1]AlGaN/GaN凹槽栅MISHEMT器件工艺与新结构研究[D]. 庞慧娇.电子科技大学 2017
[2]AlGaN/GaN HEMT短沟道效应与耐压新结构探索[D]. 潘沛霖.电子科技大学 2016
[3]Si基GaN横向功率二极管新结构研究[D]. 靳旸.电子科技大学 2016
[4]超晶格AlGaN沟道异质结特性研究[D]. 谭艳琼.西安电子科技大学 2014
[5]AlGaN/GaN HEMT开关功率器件及模型研究[D]. 尉中杰.电子科技大学 2014
[6]功率AlGaN/GaN HEMT缓冲层设计和耐压新结构[D]. 尹江龙.电子科技大学 2013
本文编号：2987860
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