硅基氮化镓增强型功率器件场控机理与新结构研究
发布时间：2021-09-28 05:33
硅基氮化镓（GaN-on-Si）功率器件具有击穿电压高、工作温度高和工作频率高等优异性能,是电力电子领域极为理想的半导体器件,现已成为国际半导体领域的研究热点之一。因增强型功率器件具有安全性高及驱动简单等优点,如何制备出高性能的GaN-on-Si增强型功率器件是学者们关注的重点。为降低功率器件的设计周期和成本,往往需要器件理论模型来指导器件的设计,而目前对GaN-on-Si增强型功率器件相关物理模型的研究较少。同时,功率器件从产品到应用需要解决其可靠性相关的问题,关于GaN-on-Si增强型功率器件长期可靠性方面的问题还需进行全方面地研究。此外,一些应用领域不仅要求功率器件具有较好的正向阻断能力,还要求其具有反向阻断能力。本文针对GaN-on-Si功率半导体技术在发展中所面临的一些问题,开展了GaN-on-Si增强型功率器件的理论模型、新结构、关键工艺及长期可靠性的研究。主要创新如下:（1）建立了GaN-on-Si增强型功率器件场控能带模型。研究了GaN-on-Si增强型功率器件的场控能带机理,分析了器件结构、材料结构、陷阱电荷及外加电场对能带结构和二维电子气（Two-Dimensio...
【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】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纤锌矿结构的GaN晶格示意图[3,43]。
不同晶向(N面(N-face)和Ga面(Ga-face))的纤锌矿结构的GaN晶格示意图如图2-1(a)和图2-1(b)所示。N面和Ga面的Ga N材料的自发极化电场矢量方向也正好相反。现在用于制备GaN功率器件的GaN材料是Ga面的,即Ga原子在上表面,N原子在下表面,自发极化电场的方向是。为平衡自发极化电场,GaN材料表面会束缚电荷,不同的极性面的GaN材料会束缚不同类型的电荷,如图2-2(a)和2-2(b)所示[45-46](图中箭头为自发极化电场方向)。其中,N面的GaN材料极化电场(Psp)的方向是从下到上(由N原子指向Ga原子)。为抵消这个极化电场,会在GaN材料上表面束缚正电荷,在材料的下表面束缚负电荷,所束缚的电荷形成的电场由上表面指向下表面[45-46]。Ga面的GaN材料极化电场的方向是从上到下(也是由N原子指向Ga原子)。为抵消这个极化电场,会在GaN材料的上表面束缚负电荷,在材料的下表面束缚正电荷。所束缚的电荷形成的电场由下表面指向上表面,与自发极化电场方向刚好相反。这种因材料晶格结构内正负电荷中心不重合而出现的自发极化效应在III族氮化物半导体材料中是比较普遍的,如InN、AlGaN和AlN均存在较强的自发极化效应[45-46]。(2)压电极化(电场)效应(Piezoelectric polarization,pz)
因为AlGaN材料的晶格常数小于GaN材料的晶格常数,当在Ga N衬底上外延生长一层AlGaN材料形成AlGaN/GaN异质结时,外延生长的AlGaN材料会被拉伸,即在AlGaN材料中存在张应力。当衬底是N面GaN材料时,异质结的压电极化电场(Ppz)的方向是由下至上,如图2-4(a)所示[45-46]。而N面GaN材料的自发极化电场方向也由下至上,所以N面AlGaN/GaN异质结的自发极化电场的方向与压电极化电场的方向是一致的,两者极化呈现加强状态。较强的极化电场会改变AlGaN/GaN异质结的能带结构。N面AlGaN/GaN异质结中的极化电场会抬高异质结界面处的能带,进而迫使可动的电子向GaN材料体内移动,在异质结界面处留下不可动的空穴,来补偿该异质结的极化电场。当N面AlGaN/GaN异质结的极化电场足够强时,AlGaN/GaN异质结界面处的GaN价带会被抬高到费米能级以上。此时,在N面AlGaN/GaN异质结的界面处会形成一个空穴势阱,并在异质结界面处形成大量的2DHG。当衬底材料是Ga面Ga N材料时,异质结界面处的压电极化电场的方向是由上至下,如图2-4(b)所示。而Ga面GaN材料的自发极化电场方向也是由上至下,所以Ga面AlGaN/GaN异质结的自发极化电场的方向与压电极化电场的方向也是一致的,两者极化呈现加强状态。Ga面AlGaN/GaN异质结中的极化电场会拉低异质结界面处的能带,进而迫使可动的电子向异质结界面处移动,来补偿该异质结的极化电场。当Ga面AlGaN/GaN异质结的极化电场足够强时,AlGaN/GaN异质结界面处的GaN导带会被拉低到费米能级以下。此时,在Ga面AlGaN/GaN异质结的界面处会形成一个电子势阱,并在异质结界面处形成大量的2DEG,如图2-5所示。图2-5 Ga面AlGaN/GaN异质结界面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]节能减排的基础技术-功率半导体芯片[J]. 张波. 中国集成电路. 2009(12)
[2]The mobility of two-dimensional electron gas in AlGaN/GaN heterostructures with varied Al content[J]. ZHANG JinFeng, HAO Yue, ZHANG JinCheng & NI JinYu Key Laboratory of the Ministry of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices, School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an 710071, China. Science in China（Series F:Information Sciences）. 2008(06)
本文编号：3411336
【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】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
纤锌矿结构的GaN晶格示意图[3,43]。
不同晶向(N面(N-face)和Ga面(Ga-face))的纤锌矿结构的GaN晶格示意图如图2-1(a)和图2-1(b)所示。N面和Ga面的Ga N材料的自发极化电场矢量方向也正好相反。现在用于制备GaN功率器件的GaN材料是Ga面的,即Ga原子在上表面,N原子在下表面,自发极化电场的方向是。为平衡自发极化电场,GaN材料表面会束缚电荷,不同的极性面的GaN材料会束缚不同类型的电荷,如图2-2(a)和2-2(b)所示[45-46](图中箭头为自发极化电场方向)。其中,N面的GaN材料极化电场(Psp)的方向是从下到上(由N原子指向Ga原子)。为抵消这个极化电场,会在GaN材料上表面束缚正电荷,在材料的下表面束缚负电荷,所束缚的电荷形成的电场由上表面指向下表面[45-46]。Ga面的GaN材料极化电场的方向是从上到下(也是由N原子指向Ga原子)。为抵消这个极化电场,会在GaN材料的上表面束缚负电荷,在材料的下表面束缚正电荷。所束缚的电荷形成的电场由下表面指向上表面,与自发极化电场方向刚好相反。这种因材料晶格结构内正负电荷中心不重合而出现的自发极化效应在III族氮化物半导体材料中是比较普遍的,如InN、AlGaN和AlN均存在较强的自发极化效应[45-46]。(2)压电极化(电场)效应(Piezoelectric polarization,pz)
因为AlGaN材料的晶格常数小于GaN材料的晶格常数,当在Ga N衬底上外延生长一层AlGaN材料形成AlGaN/GaN异质结时,外延生长的AlGaN材料会被拉伸,即在AlGaN材料中存在张应力。当衬底是N面GaN材料时,异质结的压电极化电场(Ppz)的方向是由下至上,如图2-4(a)所示[45-46]。而N面GaN材料的自发极化电场方向也由下至上,所以N面AlGaN/GaN异质结的自发极化电场的方向与压电极化电场的方向是一致的,两者极化呈现加强状态。较强的极化电场会改变AlGaN/GaN异质结的能带结构。N面AlGaN/GaN异质结中的极化电场会抬高异质结界面处的能带,进而迫使可动的电子向GaN材料体内移动,在异质结界面处留下不可动的空穴,来补偿该异质结的极化电场。当N面AlGaN/GaN异质结的极化电场足够强时,AlGaN/GaN异质结界面处的GaN价带会被抬高到费米能级以上。此时,在N面AlGaN/GaN异质结的界面处会形成一个空穴势阱,并在异质结界面处形成大量的2DHG。当衬底材料是Ga面Ga N材料时,异质结界面处的压电极化电场的方向是由上至下,如图2-4(b)所示。而Ga面GaN材料的自发极化电场方向也是由上至下,所以Ga面AlGaN/GaN异质结的自发极化电场的方向与压电极化电场的方向也是一致的,两者极化呈现加强状态。Ga面AlGaN/GaN异质结中的极化电场会拉低异质结界面处的能带,进而迫使可动的电子向异质结界面处移动,来补偿该异质结的极化电场。当Ga面AlGaN/GaN异质结的极化电场足够强时,AlGaN/GaN异质结界面处的GaN导带会被拉低到费米能级以下。此时,在Ga面AlGaN/GaN异质结的界面处会形成一个电子势阱,并在异质结界面处形成大量的2DEG,如图2-5所示。图2-5 Ga面AlGaN/GaN异质结界面。
【参考文献】：
期刊论文
[1]节能减排的基础技术-功率半导体芯片[J]. 张波. 中国集成电路. 2009(12)
[2]The mobility of two-dimensional electron gas in AlGaN/GaN heterostructures with varied Al content[J]. ZHANG JinFeng, HAO Yue, ZHANG JinCheng & NI JinYu Key Laboratory of the Ministry of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices, School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an 710071, China. Science in China（Series F:Information Sciences）. 2008(06)
本文编号：3411336
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