氮化镓异质结增强型功率器件机理与新结构研究

发布时间：2024-12-18 23:26

　　第三代宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）因临界击穿电场高、电子饱和速率大、热导率高、抗辐射能力强等卓越性能,已成为半导体产业界的研究热点。近年来,GaN材料和器件在射频/微波、移动通信和半导体照明等领域大放异彩,而在电力电子领域,AlGaN/GaN HEMT作为核心代表器件,尽管在材料生长、工艺制造、器件制作与表征等方面取得了重要突破,但是现阶段仍存在诸多技术难点需要攻克。首先,由于AlGaN/GaN异质结具有强极化效应,在异质结界面处存在高浓度的二维电子气（2DEG）,因此,增强型的实现一直是业界重点关注的问题之一。其次,目前AlGaN/GaN HEMT的击穿电压远低于理论极限值,如何提高器件的击穿电压也是亟需解决的重点问题之一。最后,GaN功率器件的制造工艺尚未成体系化,开发一套适合GaN功率器件的制造工艺至关重要。基于上述科学问题,通过对表面清洗、ICP刻蚀以及欧姆接触等关键制造工艺的开发与优化,本论文提出并研制了两种新型AlGaN/GaN HEMT功率器件。同时,利用Sentaurus TCAD数值仿真软件,提出并优化设计了两种空穴气增强型AlGaN/GaN HEMT。具体创新点如...

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1-5不同种类的GaN外延片尺寸和成本的关系[14]

在GaN电力电子领域中,GaN材料的同质外延十分困难且成本较高,目前,异质衬底上GaN基材料的生长仍是产业界的首要选择[11-13]。常见的几种异质衬底有Si衬底、SiC衬底和蓝宝石衬底。不同异质衬底材料的物理特性见表1-2。在异质衬底的选择中,主要考虑以下几个方面:异质材料之间....

图2-1不同极性的纤锌矿型GaN晶体结构。(a)Ga面极性;(b)N面极性[24]

纤锌矿型GaN属于六方晶体结构,六方晶体的极轴称为c轴。沿着平行于c轴的方向,N原子和Ga原子交替排列,不同的排列顺序会产生具有不同极性的晶体结构,如图2-1所示[24]。通常,Ga面极性的GaN晶体是通过有机金属化合物化学气相淀积(MetalOrganicChemical....

图2-2压电极化的产生机理。(a)平衡态;(b)非平衡态[32]

由于氮元素的电负性比镓元素高,且纤锌矿型GaN晶体结构不具备中心对称性,导致正、负电荷中心不重合,从而沿c轴方向产生自发极化效应(SpontaneousPolarization)[29-30]。根据当前的报道,纤锌矿型GaN晶体结构的自发极化率为0.029C/m2[31]。另外....

图2-3 AlGaN/GaN异质结导带及电荷分布图[36]

自发极化效应和压电极化效应使得在AlGaN/GaN异质结界面靠近GaN一侧形成三角形势阱,高浓度的二维电子气(2DEG)被束缚在三角形势阱内,因此,2DEG的迁移率显著提高,如图2-3所示[36]。此外,AlGaN层的厚度以及Al组分均会影响2DEG的浓度。随着AlGaN层厚度....

本文编号：4017289