GaN基功率器件结构设计和开关特性研究
发布时间：2021-01-23 21:19
GaN作为第三代半导体材料的典型代表,因其具有大的禁带宽度、高载流子迁移率、高饱和电子速度等优异特性而得到广泛的关注。氮化镓基异质结场效应管（GaN HFET）是应用最广泛的GaN基功率器件之一,具有优异的频率特性、功率特性及击穿特性。近年来研究者们不断提出GaN功率器件的新技术,使得GaN HFET器件的发展和应用日趋成熟。但目前GaN HFET的发展仍存在着一些有待解决的问题,本文围绕实现增强型器件及提升器件开关特性等方面,深入开展了新结构器件及器件开关特性的研究。为了解决实现增强型器件的问题,本文创新性地提出了一种具有复合势垒层的N面GaN HFET器件结构,将栅极下方的势垒层材料由AlN替换为AlGaN和GaN的复合结构,减小了栅极下方沟道的极化强度及二维电子气密度,从而实现了增强型特性。与常规N面结构器件相比,阈值电压由-1.4 V增大至1.3 V,同时器件的导通电阻低至11.7Ω·mm,与常规N面器件相差不大,并且峰值跨导由66mS/mm提高至103 mS/mm,而在相同的过驱动电压(VGT=VGS-Vth=...
【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】：
GaN功率器件的应用领域[8]
第一章绪论3图1-1GaN功率器件的应用领域[8]图1-2GaN器件的击穿电压和导通电阻参数[9]衡量GaN器件性能的特性参数主要包括静态特性（击穿电压、导通电阻等）和动态特性（开关速度、动态导通电阻等）。图1-2展示了GaN器件和其他器件的击穿电压和导通电阻参数对比，可以看出，GaN器件可以获得更高的击穿电压和更低的导通电阻，其理论极限高于Si和SiC。同时，一些现有的GaN基器件的特性已经超过了Si材料的理论极限，这充分说明GaN器件具有的优势和潜力。由
第一章绪论5果表明，在没有钝化的情况下，输出功率密度即达到3.0W/mm，且特征频率fT和最大频率fmax分别达到20GHz和38GHz，具有很好的频率特性且抑制了电流崩塌。2007年，Kikkawa等人采用n型GaN帽层和Y型肖特基栅结构制作了GaNHFET器件[19]，其Al组分为0.3，栅长为100nm，fT和fmax分别达到85GHz和180GHz，器件的效率、增益和可靠性也得到了很大的提高。2017年，RonghuiHao等人提出了一种带有高阻GaN帽层的GaNHFET[20]，实验结果显示，器件的击穿电压高达1020V，在施加1000V的漏极电压应力时器件的动态导通电阻仅为静态导通电阻的2.4倍。这表明通过引入GaN帽层提高了器件的击穿电压并有效抑制了电流崩塌效应。图1-3带有p型帽层的GaNHFET结构示意图[18]GaN器件的缓冲层泄漏电流使得器件的关态性能变差，为解决这一问题，需要提高沟道对2DEG的限域性或增大缓冲层的电阻率，在缓冲层中引入背势垒结构是一种很好的解决方法。2005年，PalaciosTJ等人在GaNHFET的缓冲层中引入了2nm厚的InGaN背势垒结构[21]，其外延层结构和能带图如图1-4所示，器件栅长为160nm，fT和fmax分别达到128GHz和168GHz。从能带图中可以看出，InGaN背势垒结构的引入有效增加了沟道二维电子气的限域性，减小了缓冲层泄漏电流。2006年，该小组又提出了引入InGaN/GaN背势垒层的GaNHFET结构[22]，增强了2DEG的限域性，提升了器件的跨导特性。该器件的栅长为100nm，fT和fmax分别达到153GHz和230GHz。2011年，LeeDS等人在InGaN/GaNHFET中引入了InGaN背势垒[23]，该结构有效抑制了短沟道效应，其跨导为530mS/mm，fT达到300GHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]毫米波GaN基HEMT器件材料结构发展的研究[J]. 张效玮,贾科进,房玉龙,敦少博,冯志红,赵正平. 半导体技术. 2012(08)
本文编号：2995943
【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】：
GaN功率器件的应用领域[8]
第一章绪论3图1-1GaN功率器件的应用领域[8]图1-2GaN器件的击穿电压和导通电阻参数[9]衡量GaN器件性能的特性参数主要包括静态特性（击穿电压、导通电阻等）和动态特性（开关速度、动态导通电阻等）。图1-2展示了GaN器件和其他器件的击穿电压和导通电阻参数对比，可以看出，GaN器件可以获得更高的击穿电压和更低的导通电阻，其理论极限高于Si和SiC。同时，一些现有的GaN基器件的特性已经超过了Si材料的理论极限，这充分说明GaN器件具有的优势和潜力。由
第一章绪论5果表明，在没有钝化的情况下，输出功率密度即达到3.0W/mm，且特征频率fT和最大频率fmax分别达到20GHz和38GHz，具有很好的频率特性且抑制了电流崩塌。2007年，Kikkawa等人采用n型GaN帽层和Y型肖特基栅结构制作了GaNHFET器件[19]，其Al组分为0.3，栅长为100nm，fT和fmax分别达到85GHz和180GHz，器件的效率、增益和可靠性也得到了很大的提高。2017年，RonghuiHao等人提出了一种带有高阻GaN帽层的GaNHFET[20]，实验结果显示，器件的击穿电压高达1020V，在施加1000V的漏极电压应力时器件的动态导通电阻仅为静态导通电阻的2.4倍。这表明通过引入GaN帽层提高了器件的击穿电压并有效抑制了电流崩塌效应。图1-3带有p型帽层的GaNHFET结构示意图[18]GaN器件的缓冲层泄漏电流使得器件的关态性能变差，为解决这一问题，需要提高沟道对2DEG的限域性或增大缓冲层的电阻率，在缓冲层中引入背势垒结构是一种很好的解决方法。2005年，PalaciosTJ等人在GaNHFET的缓冲层中引入了2nm厚的InGaN背势垒结构[21]，其外延层结构和能带图如图1-4所示，器件栅长为160nm，fT和fmax分别达到128GHz和168GHz。从能带图中可以看出，InGaN背势垒结构的引入有效增加了沟道二维电子气的限域性，减小了缓冲层泄漏电流。2006年，该小组又提出了引入InGaN/GaN背势垒层的GaNHFET结构[22]，增强了2DEG的限域性，提升了器件的跨导特性。该器件的栅长为100nm，fT和fmax分别达到153GHz和230GHz。2011年，LeeDS等人在InGaN/GaNHFET中引入了InGaN背势垒[23]，该结构有效抑制了短沟道效应，其跨导为530mS/mm，fT达到300GHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]毫米波GaN基HEMT器件材料结构发展的研究[J]. 张效玮,贾科进,房玉龙,敦少博,冯志红,赵正平. 半导体技术. 2012(08)
本文编号：2995943
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