高壓AlGaN-GaN HEMTs的新結(jié)構(gòu)與場優(yōu)化技術(shù).pdf

1、在功率半導體器件的應用中，以氮化鎵為代表的寬禁帶（WBG）化合物半導體由于其高于硅三倍的禁帶寬度而獲得越來越廣泛的關(guān)注。III-V族氮化合物AlGaN/GaN高遷移率晶體管（High Mobility Electron Transistors, AlGaN/GaN HEMTs）相比于SiC功率器件由于其易于實現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（Heterojunction）、高濃度的二維電子氣（2-DEG）、高的溝道電子遷移率、高的擊穿電場以及相對簡單的工藝

2、實現(xiàn)而成為寬禁帶化合物半導體器件應用于高壓集成電路（High Voltage Integrated Circuit, HVIC）中具有里程碑意義的典型代表。在獲得較小的比導通電阻（Ron_sp）的同時而得到最大的耐壓是功率半導體器件的關(guān)鍵問題，而二維表面電場的優(yōu)化問題是橫向功率器件的固有問題。為此，國內(nèi)外學者提出了一系列新的結(jié)構(gòu)和新的工藝，以提高AlGaN/GaN HEMTs的耐壓和解決由場引起的可靠性問題。但迄今為止，國內(nèi)外學者對于A

3、lGaN/GaN HEMTs新結(jié)構(gòu)的提出缺乏有效的數(shù)值模擬和理論分析，這將大大增加實驗所付出的成本。
　　針對AlGaN/GaN HEMTs的二維電場優(yōu)化問題，本文利用Crosslight-APSYS TCAD數(shù)值分析法建立自發(fā)極化和碰撞電離模型，通過求解二維和三維泊松方程，獲得表面和體內(nèi)電場的分布從而指導實驗?；诮档吐┒藮艠O邊緣的表面電場以防止過早的柵極擊穿、提高器件的整體耐壓水平、有效抑制漏極到柵極的泄漏電流的思路出發(fā)，結(jié)合

4、Crosslight-Csuprem TCAD工藝模擬軟件，對AlGaN/GaN HEMTs進行了創(chuàng)新性和探索性研究。主要內(nèi)容為：
　　1．具有單層源金屬場板（Source connected Field Plate）AlGaN/GaN HEMT的設計與制造。此結(jié)構(gòu)利用工藝兼容的源金屬場板作為柵極邊緣電場的屏蔽層，以優(yōu)化表面電場分布，進而提高器件耐壓。數(shù)值分析結(jié)果表明：當漂移區(qū)長度為6微米、柵極長度0.8微米、氮化鎵外延層厚度為2

5、微米時，器件耐壓達到150 V，與常規(guī)型器件60 V比較，提高了150％。作為仿真結(jié)果的驗證，實驗結(jié)果表明：在與仿真相同的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)化的器件耐壓達到125 V，較常規(guī)器件的37 V提高了237%。數(shù)值分析顯示了與實驗結(jié)果相同的趨勢。基于實驗結(jié)果，利用擊穿電壓的溫度特性測試、柵極泄漏電流與溫度的關(guān)系以及擊穿電壓的溫度系數(shù)與場板長度的關(guān)系，得出器件擊穿機理為陷阱輔助型柵極肖特基結(jié)的遂穿泄漏以及由漏端電壓引起的柵極熱載流子注入

6、所引發(fā)的器件提前泄漏擊穿。
　　2．具有局域Mg摻雜（Magnesiumdoped）高壓AlGaN/GaN HEMT的設計。此結(jié)構(gòu)利用電荷補償理論，在氮化鎵緩沖層中（GaN buffer）、柵極二維電子氣下方三百納米處引入一Mg局部埋層。該Mg埋層在器件正向?qū)ㄟ^程中不引入電阻，在正向耐壓過程中輔助耗盡溝道二維電子氣，從而使得電場峰值從器件表面轉(zhuǎn)移到漂移區(qū)內(nèi)Mg埋層的邊緣。通過優(yōu)化和調(diào)整Mg埋層的長度以及濃度后，分析結(jié)果表明：當柵

7、極長度為1微米、漂移區(qū)長度為10微米、氮化鎵外延層厚度為3微米、Mg埋層長度為1.5微米、濃度為8×1017 cm?3時，器件耐壓達到900 V。相比傳統(tǒng)型HEMT結(jié)構(gòu)560 V，提高了61%。相比于金屬源場板結(jié)構(gòu)的柵極邊緣電場，帶有局域Mg埋層的器件柵極邊緣電場得到更有效地抑制。這意味著該結(jié)構(gòu)能進一步地抑制由電場引起的熱載流子注入電流。在帶有局域Mg埋層的新結(jié)構(gòu)的基礎上，本論文還提出一種帶有漏端金屬場板的局域化Mg摻雜結(jié)構(gòu)，從而能繼續(xù)

8、優(yōu)化從Mg埋層到漏端邊緣漂移區(qū)內(nèi)電場，進一步提高耐壓。分析結(jié)果表明：當Mg埋層長度為1微米、漏端金屬場板為3微米時，器件耐壓達到1390V。相比于僅帶Mg摻雜的結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)器件耐壓進一步提高了55%。
　　3．提出了AlGaN/GaN HEMTs的降低表面電場的概念，利用引入Mg埋層調(diào)制器件的體內(nèi)電場，從而調(diào)制了器件的表面電場。帶有局部Mg埋層的器件與帶有優(yōu)化了的傳統(tǒng)源金屬場板以及源金屬場板結(jié)合柵極金屬場板的器件相比，在相同的器件

9、物理尺寸下?lián)舸r，漏端柵極邊緣的電場峰值為0.6 MV/cm，與帶有源金屬場板器件的3.3 MV/cm相比，降低了5倍以上；與帶有源金屬場板以及柵極金屬場板的1.7 MV/cm相比，降低了3倍。
　　4．設計并制造了一種具有空氣橋場板（Air-bridge Field Plate,AFP）結(jié)構(gòu)的高壓AlGaN/GaN HEMT，以解決傳統(tǒng)源場板基于薄介質(zhì)層無法進一步提高器件耐壓的事實。此結(jié)構(gòu)突破常規(guī)源極金屬場板的一貫做法，通過利用

10、特殊的光刻膠工藝，使得金屬跳過柵源以及柵極區(qū)域，落到漂移區(qū)內(nèi)。與帶傳統(tǒng)源金屬場板的 HEMT相比，AFP在抑制柵極邊緣電場的同時，使得表面電場分布更加均勻，從而大大提高了耐壓。同時，空氣橋場板結(jié)構(gòu)與常規(guī)場板技術(shù)相比，空氣橋場板結(jié)構(gòu)避免了引入寄生電容Cgs和場板引起的寄生導通電阻，從而不犧牲開關(guān)速度和損耗。數(shù)值分析結(jié)果表明：當漂移區(qū)長度為6微米、柵極長度0.8微米、氮化鎵外延層厚度為2微米時，器件耐壓達到450V，較傳統(tǒng)不帶場板結(jié)構(gòu)的60

11、 V擊穿電壓相比，耐壓提高了650%；較傳統(tǒng)金屬源場板結(jié)構(gòu)的150 V擊穿電壓相比，耐壓提高了200%。試驗結(jié)果表明：具有空氣橋場板的新型結(jié)構(gòu)，耐壓達到了375 V，較傳統(tǒng)型無場板結(jié)構(gòu)37 V相比，耐壓提高了913%。較傳統(tǒng)型源極金屬場板結(jié)構(gòu)耐壓125 V相比，耐壓提高了200%。新結(jié)構(gòu)獲得了比導通電阻（Ron-sp）為0.58 m?·cm2。與傳統(tǒng)不帶場板結(jié)構(gòu)0.56 m?·cm2相比，寄生電阻增加了3.4%。與帶傳統(tǒng)場板器件結(jié)構(gòu)0.