高耐压氮化镓基功率开关器件关键工艺与新结构
发布时间：2023-07-30 18:32
为了实现高速高效小型化的电源转换模块,现代电力电子领域对半导体功率开关器件提出了新的要求。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料,其优异的电学与热学性能,使其更适合在高速高效的电源转换模块中得以应用。本文以GaN基功率开关器件为研究对象,针对目前GaN基功率开关器件仍存在的关键科学问题开展了以下研究,主要包括:缩小GaN基功率开关器件Baliga优值(BFOM)与材料极限之间的差距、突破增强型GaN基异质结场效应晶体管(HFET)器件阈值电压与导通电阻的折中关系、突破铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)肖特基势垒二极管(SBD)器件反向泄漏电流与开启电压的折中关系、高耐压GaN基功率开关器件关键工艺优化和制备。本论文的主要研究内容和取得的研究成果可以分为以下五个部分:(1)为了获得可信的数值计算结果,本文结合已有极化模型、迁移率模型、碰撞电离模型以及场致隧穿电流的物理模型,并根据已报道的实验结果得出了物理模型中的关键参数,实现了数值计算结果与实验结果的拟合。最终将这些拟合好的关键模型运用到新结构的数值计算中,以提升数值计算结果的可信度。(2)提出了一种高K钝化以及高K/低K复合钝化的Al...
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 高耐压GaN基功率开关器件的研究背景
1.1.1 GaN材料的优势
1.1.2 GaN基功率开关器件的优势与存在的问题
1.2 GaN基功率开关器件国内外研究进展
1.2.1 GaN HFET器件研究进展
1.2.2 GaN基横向肖特基二极管研究进展
1.3 本文的主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 GaN基功率开关器件与模型
2.1 GaN基异质结材料极化效应与二维电子气产生机理
2.1.1 GaN基异质结材料极化效应
2.1.2 二维电子气的来源
2.2 极化模型与二维电子气数值计算
2.3 GaN基HFET器件基本模型
2.3.1 GaN基HFET器件阈值电压与I-V模型
2.3.2 反向击穿雪崩电离模型
2.4 本章小结
第三章 带有门控结终端的GaN基肖特基二极管与新结构
3.1 GaN基肖特基二极管反向泄漏电流机理与模型
3.2 GaN基肖特基二极管中的门控结终端技术
3.3 高K介质钝化门控结终端GaN基肖特基二极管
3.3.1 仿真结构与仿真参数
3.3.2 正向特性
3.3.3 反向泄漏电流的降低
3.3.4 击穿电压的提升
3.3.5 电容与电压特性讨论
3.4 高K与低K介质复合钝化门控结终端GaN基肖特基二极管
3.4.1 仿真器件结构与参数
3.4.2 正向特性
3.4.3 击穿特性的提升
3.4.4 电容与电压特性讨论
3.4.5 与国际先进水平的对比
3.5 本章小结
第四章 P型GaN栅极HFET器件与新结构
4.1 P型GaN栅极HFET器件结构与仿真模型
4.2 双结型栅GaN基HFET新结构提升器件阈值电压
4.2.1 仿真器件结构与制备方法
4.2.2 器件特性与原理
4.2.3 Ron和Vth的折中关系
4.3 带有结场板的GaN基HFET新结构提升器件耐压
4.3.1 仿真器件结构与模型
4.3.2 器件直流特性与击穿特性
4.3.3 器件结构参数优化
4.3.4 新结构器件与国际先进水平的对比
4.3.5 电容特性讨论
4.3.6 开关特性研究
4.4 本章小结
第五章 钝化技术对GaN基HFET器件特性的影响研究
5.1 不同钝化技术的工艺过程
5.2 钝化前后器件特性测试分析
5.3 钝化前后器件界面特性研究
5.3.1 SiNx栅介质与GaN帽层界面陷阱的表征
5.3.2 AlGaN势垒层与GaN沟道层界面陷阱的表征
5.4 钝化残余应力导致的退化机制研究
5.5 本章小结
第六章 高耐压GaN基功率开关器件关键工艺与制备
6.1 样品前处理与隔离工艺选择
6.1.1 样品清洗与光刻工艺
6.1.2 台面隔离
6.1.3 注入隔离
6.2 栅源漏金属化与栅介质淀积
6.2.1 欧姆接触工艺的优化
6.2.2 栅极淀积前处理工艺
6.2.2.1 器件制备过程
6.2.2.2 直流特性对比
6.2.2.3 肖特基二极管电容特性测试与结果分析
6.2.3 栅介质生长
6.3 高耐压GaN基功率开关器件的制备
6.3.1 Si衬底GaN基HFET器件击穿特性测试
6.3.2 带场板Si衬底GaN基HFET器件击穿特性测试
6.3.3 制备的器件与国内外先进水平的对比
6.4 多栅指GaN功率开关器件样品制备与测试
6.4.1 静态特性测试
6.4.2 开关特性测试
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
本文编号：3837958
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 高耐压GaN基功率开关器件的研究背景
1.1.1 GaN材料的优势
1.1.2 GaN基功率开关器件的优势与存在的问题
1.2 GaN基功率开关器件国内外研究进展
1.2.1 GaN HFET器件研究进展
1.2.2 GaN基横向肖特基二极管研究进展
1.3 本文的主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 GaN基功率开关器件与模型
2.1 GaN基异质结材料极化效应与二维电子气产生机理
2.1.1 GaN基异质结材料极化效应
2.1.2 二维电子气的来源
2.2 极化模型与二维电子气数值计算
2.3 GaN基HFET器件基本模型
2.3.1 GaN基HFET器件阈值电压与I-V模型
2.3.2 反向击穿雪崩电离模型
2.4 本章小结
第三章 带有门控结终端的GaN基肖特基二极管与新结构
3.1 GaN基肖特基二极管反向泄漏电流机理与模型
3.2 GaN基肖特基二极管中的门控结终端技术
3.3 高K介质钝化门控结终端GaN基肖特基二极管
3.3.1 仿真结构与仿真参数
3.3.2 正向特性
3.3.3 反向泄漏电流的降低
3.3.4 击穿电压的提升
3.3.5 电容与电压特性讨论
3.4 高K与低K介质复合钝化门控结终端GaN基肖特基二极管
3.4.1 仿真器件结构与参数
3.4.2 正向特性
3.4.3 击穿特性的提升
3.4.4 电容与电压特性讨论
3.4.5 与国际先进水平的对比
3.5 本章小结
第四章 P型GaN栅极HFET器件与新结构
4.1 P型GaN栅极HFET器件结构与仿真模型
4.2 双结型栅GaN基HFET新结构提升器件阈值电压
4.2.1 仿真器件结构与制备方法
4.2.2 器件特性与原理
4.2.3 Ron和Vth的折中关系
4.3 带有结场板的GaN基HFET新结构提升器件耐压
4.3.1 仿真器件结构与模型
4.3.2 器件直流特性与击穿特性
4.3.3 器件结构参数优化
4.3.4 新结构器件与国际先进水平的对比
4.3.5 电容特性讨论
4.3.6 开关特性研究
4.4 本章小结
第五章 钝化技术对GaN基HFET器件特性的影响研究
5.1 不同钝化技术的工艺过程
5.2 钝化前后器件特性测试分析
5.3 钝化前后器件界面特性研究
5.3.1 SiNx栅介质与GaN帽层界面陷阱的表征
5.3.2 AlGaN势垒层与GaN沟道层界面陷阱的表征
5.4 钝化残余应力导致的退化机制研究
5.5 本章小结
第六章 高耐压GaN基功率开关器件关键工艺与制备
6.1 样品前处理与隔离工艺选择
6.1.1 样品清洗与光刻工艺
6.1.2 台面隔离
6.1.3 注入隔离
6.2 栅源漏金属化与栅介质淀积
6.2.1 欧姆接触工艺的优化
6.2.2 栅极淀积前处理工艺
6.2.2.1 器件制备过程
6.2.2.2 直流特性对比
6.2.2.3 肖特基二极管电容特性测试与结果分析
6.2.3 栅介质生长
6.3 高耐压GaN基功率开关器件的制备
6.3.1 Si衬底GaN基HFET器件击穿特性测试
6.3.2 带场板Si衬底GaN基HFET器件击穿特性测试
6.3.3 制备的器件与国内外先进水平的对比
6.4 多栅指GaN功率开关器件样品制备与测试
6.4.1 静态特性测试
6.4.2 开关特性测试
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
本文编号：3837958
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3837958.html
