基于二次外延的p型栅GaN基增强型高电子迁移率晶体管
发布时间：2021-12-12 10:21
p-GaN栅增强型HEMT（p-GaNE-HEMT）作为高频高效的中低压功率电子器件的一种优选方案,目前得到了国内外学术界和产业界的认可。提高器件的阈值电压、降低其导通电阻率、实现稳定可靠的栅控性能仍是p-GaN E-HEMT的研究重点。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）二次外延技术,可以在图形化的AlGaN/GaN异质结构上（AlGaN势垒层栅区薄、非栅区厚）外延出p-GaN栅结构,有助于实现更高的阈值电压、更低的导通电阻率等优异性能。本文围绕二次外延p-GaN E-HEMT的器件仿真与设计、p-GaN的二次外延生长、器件工艺开发、以及器件性能测试等展开了较为深入、系统的研究,主要内容包括:1.利用Silvaco仿真软件对p-GaNE-HEMT的基本性能、耐压特性以及动态特性进行了仿真分析,从物理机制角度深入地理解器件性能的影响因素及规律。仿真给出了与实际器件结果相当的基本性能;分析了关态下器件电场分布的影响因素及规律:发现源场板的长度、场板介质厚度基本只影响GaN中的水平电场分布,而GaN缓冲层中的缺陷类型与浓度则同时影响水平电场和垂直电场的分布;采用OFF-ON切换、脉冲模式...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１电能的输送与应用??
ｍｉｔ??Ｓｉ?Ｌｉｍｉｔ??ａ＞?ｗ??＾??５?臞?Ｉ?〇／?／??７?．?〇〇?；?／??名?Ｗ?＾?°?＾?ＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??？?Ｙ?°?▲?／?／??〇?ｉ?Ｚ?ｍ?＃?ｉ?／?／??ｉ?————口［／——??－〇Ｊ?？?Ｚ?Ａ?★?／??１０?１００?１０００?１００００??Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?Ｖｏｌｔａｇｅ?（Ｖ）??？?Ｓ■鼸?Ｓｉ?ＳＪ?？Ｓｉ?ＩＧＢＴ?Ｏ?ＳｉＣ?ａ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ?★ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??图１．２?Ｓｉ、ＳｉＣ和ＧａＮ的物理极限及当前研究水平??增强型是电力电子器件安全工作的关键要求，即在高压工作时，器件即使失??去栅控的状态下也是安全的，不会导致系统的烧毁。这就要求电力电子器件必须??是增强型的（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，也称ｎｏｎｎａｌｌｙ－ｏｆｆ），即器件的阈值要在０Ｖ以上。??然而，从安全性角度考虑，器件设计阈值要求更高一些，主要因素包括：１）Ｍ１Ｓ??和ＭＯＳ结构中由界面态充放电会导致阈值漂移［１４－１６］；?２）器件发热和所处环??境温度的提升会导致增强型Ｖｔｈ的负向漂移［１７］：?３）栅极控制电压随机噪音所带??来的阈值抖动［１８］。目前电动汽车中所使用的Ｓｉ－ＩＧＢＴ阈值设计在５?Ｖ以上，主??要是基于以上考虑。典型Ｓｉ－ＩＧＢＴ从室温升到１５０?°Ｃ后，可能由于本征载流子??的激发，阈值电压下降了接近２?Ｖ。而相应增强型ＧａＮ器件的阈值只下降了?０．５??Ｖ；目前报道的ＧａＮ基ＭＩＳ－ＨＥＭＴ由于存在大量的深能级界面态，最多能导致??将近２?Ｖ的阈值移动［１９，?２０］；如果系统设计时预留０．５?Ｖ的栅
ｓｏｎｉｃ为代表的则采用的是“ｐ－ＧａＮ二次外延生长法（Ｒｅ－ｇｒｏｗｔｈ??ｍｅｔｈｏｄ），先生长至ＡｌＧａＮ厚势垒层，然后将栅极区的ＡｌＧａＮ刻蚀掉，再放入??ＭＯＣＶＤ中重新二次外延生长ＡｌＧａＮ／ｐ－ＧａＮ［６０，?６５］。还有一种是中科院苏州纳??米技术与纳米仿生研究所的Ｈａｏ等人采用的氢离子钝化法［６６，?６７］：在非栅极区??域的ｐ－ＧａＮ注入Ｈ离子以钝化Ｍｇ，使非栅极区域的２ＤＥＧ恢复构成导电通道。??（ａ）?（ｃ）??Ｐ－ＧａＮ－次外延?非棚区Ｓ离子ｉｉＸ??图１．３?ｐ－ＧａＮ?Ｅ－ＨＥＭＴ的三种主要技术方案??三种ｐ型栅制备技术方案有着不同的核心问题。Ｐ－ＧａＮ?—次外延方案中，??ＡｌＧａＮ在栅区和非栅区具有相同的厚度和Ａ１组分，为了得到较高的阈值电压，??通常需要厚度薄（１０－２０?ｎｍ）、Ａ１组分较低（２０？２５?％）的ＡｌＧａＮ势垒层，因为??此条件下２ＤＥＧ浓度较低（常在７￣９?ｘ?ｌ〇１２／ｃｍ２）之间；但非栅区较低的２ＤＥＧ??浓度会增加器件的导通电阻率。而且非栅区较薄的ＡｌＧａＮ势垒层导致２ＤＥＧ很??容易受表／界面态、ｐ－ＧａＮ中Ｍｇ扩散等情况的影响，使得其在导通电阻率和阈值??电压之间需要折中考虑，综合性能很难提高。采用ｐ－ＧａＮ二次外延方案，可以利??６??
本文编号：3536499
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１电能的输送与应用??
ｍｉｔ??Ｓｉ?Ｌｉｍｉｔ??ａ＞?ｗ??＾??５?臞?Ｉ?〇／?／??７?．?〇〇?；?／??名?Ｗ?＾?°?＾?ＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??？?Ｙ?°?▲?／?／??〇?ｉ?Ｚ?ｍ?＃?ｉ?／?／??ｉ?————口［／——??－〇Ｊ?？?Ｚ?Ａ?★?／??１０?１００?１０００?１００００??Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?Ｖｏｌｔａｇｅ?（Ｖ）??？?Ｓ■鼸?Ｓｉ?ＳＪ?？Ｓｉ?ＩＧＢＴ?Ｏ?ＳｉＣ?ａ?ＧａＮ?ＨＥＭＴ?★ＧａＮ?Ｓｙｓｔｅｍｓ??图１．２?Ｓｉ、ＳｉＣ和ＧａＮ的物理极限及当前研究水平??增强型是电力电子器件安全工作的关键要求，即在高压工作时，器件即使失??去栅控的状态下也是安全的，不会导致系统的烧毁。这就要求电力电子器件必须??是增强型的（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ－ｍｏｄｅ，也称ｎｏｎｎａｌｌｙ－ｏｆｆ），即器件的阈值要在０Ｖ以上。??然而，从安全性角度考虑，器件设计阈值要求更高一些，主要因素包括：１）Ｍ１Ｓ??和ＭＯＳ结构中由界面态充放电会导致阈值漂移［１４－１６］；?２）器件发热和所处环??境温度的提升会导致增强型Ｖｔｈ的负向漂移［１７］：?３）栅极控制电压随机噪音所带??来的阈值抖动［１８］。目前电动汽车中所使用的Ｓｉ－ＩＧＢＴ阈值设计在５?Ｖ以上，主??要是基于以上考虑。典型Ｓｉ－ＩＧＢＴ从室温升到１５０?°Ｃ后，可能由于本征载流子??的激发，阈值电压下降了接近２?Ｖ。而相应增强型ＧａＮ器件的阈值只下降了?０．５??Ｖ；目前报道的ＧａＮ基ＭＩＳ－ＨＥＭＴ由于存在大量的深能级界面态，最多能导致??将近２?Ｖ的阈值移动［１９，?２０］；如果系统设计时预留０．５?Ｖ的栅
ｓｏｎｉｃ为代表的则采用的是“ｐ－ＧａＮ二次外延生长法（Ｒｅ－ｇｒｏｗｔｈ??ｍｅｔｈｏｄ），先生长至ＡｌＧａＮ厚势垒层，然后将栅极区的ＡｌＧａＮ刻蚀掉，再放入??ＭＯＣＶＤ中重新二次外延生长ＡｌＧａＮ／ｐ－ＧａＮ［６０，?６５］。还有一种是中科院苏州纳??米技术与纳米仿生研究所的Ｈａｏ等人采用的氢离子钝化法［６６，?６７］：在非栅极区??域的ｐ－ＧａＮ注入Ｈ离子以钝化Ｍｇ，使非栅极区域的２ＤＥＧ恢复构成导电通道。??（ａ）?（ｃ）??Ｐ－ＧａＮ－次外延?非棚区Ｓ离子ｉｉＸ??图１．３?ｐ－ＧａＮ?Ｅ－ＨＥＭＴ的三种主要技术方案??三种ｐ型栅制备技术方案有着不同的核心问题。Ｐ－ＧａＮ?—次外延方案中，??ＡｌＧａＮ在栅区和非栅区具有相同的厚度和Ａ１组分，为了得到较高的阈值电压，??通常需要厚度薄（１０－２０?ｎｍ）、Ａ１组分较低（２０？２５?％）的ＡｌＧａＮ势垒层，因为??此条件下２ＤＥＧ浓度较低（常在７￣９?ｘ?ｌ〇１２／ｃｍ２）之间；但非栅区较低的２ＤＥＧ??浓度会增加器件的导通电阻率。而且非栅区较薄的ＡｌＧａＮ势垒层导致２ＤＥＧ很??容易受表／界面态、ｐ－ＧａＮ中Ｍｇ扩散等情况的影响，使得其在导通电阻率和阈值??电压之间需要折中考虑，综合性能很难提高。采用ｐ－ＧａＮ二次外延方案，可以利??６??
本文编号：3536499
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3536499.html
