动态过程中GaN HEMT器件击穿特性研究
发布时间：2021-04-07 18:00
GaN基高电子迁移率晶体管具有耐高压、耐高温、高功率密度、工作频率高等特点,是具有前景的电力电子器件之一。自GaN HEMTs诞生以来,经过近30年的发展,出现了商用化产品并成功应用于消费电子领域。肖特基型P-GaN Gate HEMTs是当今业界商用增强型器件的解决方案之一,但因其复杂的PGaN/AlGaN/GaN多层栅极结构,导致其动态特性不稳定,诸如动态阈值电压、动态导通电阻、短路鲁棒性等动态可靠性成为近年来被诸多国内外学者研究。此外高栅极电压摆幅的增强型GaN MOS-HEMTs的制备以及动态特性研究亦是业界关注的热点之一。基于P-GaN Gate HEMTs复杂的栅极结构以及GaN器件不同于Si器件的静态击穿特性,在功率器件开关过程中,其击穿特性影响着系统可靠性及关断损耗。本论文以GaN HEMTs功率器件的动态击穿特性为研究对象,从实验室提出的P-GaN Gate HEMTs栅极载流子输运模型出发,提出空穴注入诱使沟道势垒降低效应,揭示了P-GaN Gate HEMTs动态软击穿的原因。在研制UTB-GaN MOS-HEMTs的基础上,对其动态漏极偏置后的击穿特性进行了表征...
【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】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GaN、Si和4H-SiC器件比导通电阻与击穿电压之间极限关系[3]
电子科技大学硕士论文41.1.3GaN功率器件的应用领域GaN最早应用于光学领域并取得了巨大的经济效益，随后GaN凭借其优异的高频特性成为了微波射频领域的宠儿，近年来5G移动通信网络的普及，更是给了GaN在射频领域大展拳脚的舞台。GaN功率器件虽然发展较晚，但也在市场中有了自己的一席之地。如图1-2所示，根据权威电子市场分析公司Yole预测，在GaN功率器件发展顺利的情况下，将在快充充电器、雷达、数据中心、无线充电和电动/混动新能源汽车等领域大放异彩，其市场规模将达到数十亿美元。图1-2GaN功率器件应用领域及发展预测1.2国内外研究现状1991年，美国弗吉尼亚大学的M.A.Khan等人于第一次通过低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）成功在蓝宝石衬底上生长出高电子迁移率的AlGaN/GaN异质结[4]，在1993年研发出第一支耗尽型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）[5]，从此揭开了研究GaNHEMTs的狂潮。时隔仅一年，首支栅极长度为0.25μm的高频微波AlGaN/GaNHEMTs问世，其fT达到11GHz，fmax更是达到35GHz[6]。由于GaNHEMTs优异的高频特性，GaNHEMTs在微波射频领域迅速崭露头角。但直到2001年，N.Q.Zhang,B.Moran等人成功实现了1050V的高击穿电压GaN功率器件[7]后，GaN功率器件才开始进入发展的高速公路。目前GaN功率器件的主要研究方向有：硅基GaN材料外延生长技术，增强型GaNHEMTs的实现、GaNHEMTs的可靠性研究、GaN功率器件驱动技术。1.2.1硅基GaN外延材料生长技术GaN外延材料生长是制备高性能GaN功率器件的第一步也是最关键的一步，
电子科技大学硕士论文10图2-1GaN纤锌矿结构示意图（左图为Ga面，右图为N面）[28]由于氮的电负性比镓高，Ga和N原子分别具有阳离子(+)和阴离子(-)特性，从而导致电极化。虽然在GaN材料内部消除了极化，但是在切割面的不对称性，在c轴上产生了特定的极化，称为自发极化（spontaneouspolarization）效应[30-31]。其自发极化方向是从阴离子指向阳离子即（即图2-1中沿c轴从N指向Ga），Ga面和N面GaN晶体切割面所带电性如图2-2所示，GaN材料的自发极化的强度是0.029C/m2[32]。------------------------------------++++++++++++++++++++++PspGa极性面++++++++++++++++++++++------------------------------------PspN极性面(a)(b)图2-2GaN材料中的自发极化效应示意图。（a）Ga极性面；（b）N极性面2.1.1.1.2压电极化当异质结形成时伴随着晶格匹配，晶格匹配有三种模式：完全匹配、张应力和压应力。完全匹配是上下两层异质结之间互相匹配的两对原子之间（即同侧的一对原子之间）的间距相同，两层材料之间无机械应力。张应力是上层异质结材料中参与匹配的两个原子的间距的小于下层异质结材料中参与匹配的两个原子的间距，上层材料异质结处表面被迫伸张，受到张应力。压应力则与之相反。
【参考文献】：
博士论文
[1]氮化镓异质结晶体管电荷控制模型与新结构[D]. 汪志刚.电子科技大学 2013
本文编号：3123928
【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】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GaN、Si和4H-SiC器件比导通电阻与击穿电压之间极限关系[3]
电子科技大学硕士论文41.1.3GaN功率器件的应用领域GaN最早应用于光学领域并取得了巨大的经济效益，随后GaN凭借其优异的高频特性成为了微波射频领域的宠儿，近年来5G移动通信网络的普及，更是给了GaN在射频领域大展拳脚的舞台。GaN功率器件虽然发展较晚，但也在市场中有了自己的一席之地。如图1-2所示，根据权威电子市场分析公司Yole预测，在GaN功率器件发展顺利的情况下，将在快充充电器、雷达、数据中心、无线充电和电动/混动新能源汽车等领域大放异彩，其市场规模将达到数十亿美元。图1-2GaN功率器件应用领域及发展预测1.2国内外研究现状1991年，美国弗吉尼亚大学的M.A.Khan等人于第一次通过低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）成功在蓝宝石衬底上生长出高电子迁移率的AlGaN/GaN异质结[4]，在1993年研发出第一支耗尽型GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）[5]，从此揭开了研究GaNHEMTs的狂潮。时隔仅一年，首支栅极长度为0.25μm的高频微波AlGaN/GaNHEMTs问世，其fT达到11GHz，fmax更是达到35GHz[6]。由于GaNHEMTs优异的高频特性，GaNHEMTs在微波射频领域迅速崭露头角。但直到2001年，N.Q.Zhang,B.Moran等人成功实现了1050V的高击穿电压GaN功率器件[7]后，GaN功率器件才开始进入发展的高速公路。目前GaN功率器件的主要研究方向有：硅基GaN材料外延生长技术，增强型GaNHEMTs的实现、GaNHEMTs的可靠性研究、GaN功率器件驱动技术。1.2.1硅基GaN外延材料生长技术GaN外延材料生长是制备高性能GaN功率器件的第一步也是最关键的一步，
电子科技大学硕士论文10图2-1GaN纤锌矿结构示意图（左图为Ga面，右图为N面）[28]由于氮的电负性比镓高，Ga和N原子分别具有阳离子(+)和阴离子(-)特性，从而导致电极化。虽然在GaN材料内部消除了极化，但是在切割面的不对称性，在c轴上产生了特定的极化，称为自发极化（spontaneouspolarization）效应[30-31]。其自发极化方向是从阴离子指向阳离子即（即图2-1中沿c轴从N指向Ga），Ga面和N面GaN晶体切割面所带电性如图2-2所示，GaN材料的自发极化的强度是0.029C/m2[32]。------------------------------------++++++++++++++++++++++PspGa极性面++++++++++++++++++++++------------------------------------PspN极性面(a)(b)图2-2GaN材料中的自发极化效应示意图。（a）Ga极性面；（b）N极性面2.1.1.1.2压电极化当异质结形成时伴随着晶格匹配，晶格匹配有三种模式：完全匹配、张应力和压应力。完全匹配是上下两层异质结之间互相匹配的两对原子之间（即同侧的一对原子之间）的间距相同，两层材料之间无机械应力。张应力是上层异质结材料中参与匹配的两个原子的间距的小于下层异质结材料中参与匹配的两个原子的间距，上层材料异质结处表面被迫伸张，受到张应力。压应力则与之相反。
【参考文献】：
博士论文
[1]氮化镓异质结晶体管电荷控制模型与新结构[D]. 汪志刚.电子科技大学 2013
本文编号：3123928
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