AlGaN-GaN HFET擊穿特性分析與耐壓新結(jié)構(gòu).pdf

1、與 Si、GaAs基等傳統(tǒng)電力電子器件相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料 GaN不但具有臨界擊穿電場高、電子飽和速率高、耐高溫、抗輻照等優(yōu)勢，同時由于極化效應(yīng)，可以與AlGaN等材料形成具有高面密度和高遷移率的二維電子氣（2DEG）溝道，從而使AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（AlGaN/GaN HFET）可以同時獲得高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻，被認為是最具潛力的電力電子器件之一。本論文從器件物理出發(fā)，針對目前影響AlGaN/GaN HFET擊穿電

2、壓、導(dǎo)通電阻以及輸出功率等器件性能的相關(guān)科學(xué)技術(shù)問題，建立了帶有場板結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HFET溝道電場分布模型，研究了AlGaN/GaN HFET器件變溫特性與高場應(yīng)力下?lián)舸┨匦宰兓岢隽诵滦虯lGaN/GaN HFET耐壓結(jié)構(gòu)并分別進行了優(yōu)化設(shè)計。
　?。?）帶有場板結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HFET溝道電場分布模型。首先對器件溝道橫向電場分布與器件參數(shù)之間物理關(guān)系進行了分析，接著通過求解泊松方程，結(jié)合計算機仿真，建立

3、了器件溝道電場分布模型。該模型同時適用于柵場板與源場板結(jié)構(gòu)，所得模型與仿真結(jié)果和實驗結(jié)果符合良好。基于該模型，導(dǎo)出了最大化器件擊穿電壓的優(yōu)化準(zhǔn)則，獲得了器件最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析表達式。
　?。?）測試了變溫條件下 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)傳輸線測試圖形和 HFET器件，分析表明溫度上升時器件性能退化主要是由于溝道2DEG遷移率降低引起的。當(dāng)溫度為200℃時，2DEG遷移率僅為室溫下的34％。
　　實驗測試了變溫下高場應(yīng)力后

4、鈍化AlGaN/GaN HFET擊穿特性的變化，發(fā)現(xiàn)器件擊穿電壓隨著溫度的升高而單調(diào)增大；高場應(yīng)力后，器件的擊穿電壓有所增大，證實了鈍化后表面陷阱仍在起作用。實驗發(fā)現(xiàn)只有應(yīng)力時間大于300s時，表面陷阱才會被充電；表面陷阱充電需要一個特征電場，室溫下該特征電場值為0.12MV/c m；200℃時降低為0.09M V/c m。
　?。?）提出了一種帶有背電極的RESURF AlGaN/GaN HFET結(jié)構(gòu)，以解決普通RESURFAl

5、GaN/GaN HFET中溝道電場分布均勻性差的問題。在器件背部引入一接地的背電極，當(dāng)器件反向偏置時，該背電極通過感應(yīng)誘生負電荷來調(diào)節(jié)溝道電場分布，提升溝道電場均勻性和器件耐壓。仿真結(jié)果顯示，對于柵漏間距為6μm的器件，背電極的引入使器件擊穿電壓從1118V提升至1701V，同時對器件導(dǎo)通電阻幾乎沒有影響。
　?。?）對垂直AlGaN/GaN HFET（AlGaN/GaN VHFET）結(jié)構(gòu)進行了仿真分析與參數(shù)優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)器件電流

6、阻擋層是決定器件耐壓機制與耐壓大小的關(guān)鍵因素之一，電流阻擋層最優(yōu)厚度 TCBL-opt與其摻雜濃度 NCBL存在以下關(guān)系TCBL-opt=1/(0.69NCBL/NCBL0-0.18)μm，其中NCBL0=1×1017cm-3。當(dāng)電流阻擋層厚度大于TCBL-opt時，器件擊穿機制為雪崩電離，反之為泄漏電流，在器件設(shè)計過程中，應(yīng)盡量避免器件由于漏電而擊穿。優(yōu)化設(shè)計了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了使器件優(yōu)值達到最大值的最佳器件參數(shù)值。
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7、）針對AlGaN/GaN VHFET中由于p型雜質(zhì)激活率低而導(dǎo)致的電流阻擋層漏電問題，提出了一種帶有極化摻雜電流阻擋層的AlGaN/GaN VHFET結(jié)構(gòu)，在AlGaN極化摻雜電流阻擋層中，通過Al組分漸變而產(chǎn)生的極化電場來提升p型雜質(zhì)激活率，增強電流阻擋層抑制泄漏電流的能力，提升器件擊穿電壓。仿真結(jié)果表明，對于0.5μm厚的極化摻雜電流阻擋層，當(dāng)Al組分從0線性漸變至0.5時，器件擊穿電壓較普通結(jié)構(gòu)提升了約35%，同時由于極化摻雜電流

8、阻擋層與緩沖層之間形成的2DEG有效阻擋了耗盡層向緩沖層擴展，器件導(dǎo)通電阻幾乎沒有變化。
　?。?）提出了一種帶有p型埋層的AlGaN/GaN VHFET結(jié)構(gòu)，以解決器件緩沖層內(nèi)電場隨著遠離緩沖層/電流阻擋層界面而逐漸降低的問題，在n-GaN緩沖層內(nèi)引入p型埋層后，在每一個反向偏置的p-n結(jié)界面均形成電場峰值，從而有效提升緩沖層內(nèi)電場均勻性與耐壓強度。分析表明，當(dāng)緩沖層厚度為14.5μm，摻雜濃度為1×1016cm-3時，器件擊穿