氮化鎵基半導(dǎo)體電力電子器件擊穿機(jī)理研究.pdf

1、氮化鎵基電力電子器件在電力電子領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，其擊穿電壓的相關(guān)研究至關(guān)重要。目前 GaN基電力電子器件的擊穿電壓距離其理論極限還有很大的距離，這就意味著其擊穿特性還有很大的提升空間。為了充分提高 GaN基電力電子器件的擊穿特性，就需要對(duì)其擊穿機(jī)理進(jìn)行研究。本論文就是在此背景下對(duì) GaN基電力電子器件的擊穿機(jī)理展開了廣泛而深入的研究。
　　本文的第二章對(duì)GaN基HEMT在工藝和仿真中存在的問題和需要注意的細(xì)節(jié)進(jìn)行了討論，然后

2、討論了測(cè)試中最大輸出電流IDmax，閾值電壓Vth，柵漏電Igleak，擊穿電壓VBR和特征導(dǎo)通電阻RON五個(gè)基本參數(shù)的判定標(biāo)準(zhǔn)。最后總結(jié)了三種擊穿機(jī)制：局部高電場(chǎng)導(dǎo)致的雪崩擊穿、泄漏電流與溫度導(dǎo)致的熱失控和柵漏間的空氣擊穿。這些基礎(chǔ)問題的討論，可以使得GaN基電力電子器件擊穿機(jī)理的研究更加順利。
　　在第三章中，給出了與肖特基漏 HEMT擊穿特性相關(guān)的三個(gè)方面研究?jī)?nèi)容。首先，采用肖特基漏結(jié)構(gòu)同時(shí)提高了AlGaN/GaN HEMT

3、的正偏和反偏阻斷電壓，并且對(duì)兩種阻斷電壓提高的機(jī)理進(jìn)行了研究。通過采用肖特基漏，正偏和反偏阻斷電壓分別從72 V和-5 V提高到了149 V和-49 V，即肖特基漏可以同時(shí)提高這兩個(gè)擊穿電壓。為了研究提高擊穿電壓的物理機(jī)理，對(duì)泄漏電流分量進(jìn)行了分析，并用仿真進(jìn)行了解釋說明。其次，提出肖特基漏與漏場(chǎng)板相結(jié)合，可以提高反偏阻斷電壓的思想。漏場(chǎng)板可以緩解漏電極附近的電場(chǎng)峰值，通過采用漏場(chǎng)板反偏阻斷電壓從-67 V提高到-653 V。仿真結(jié)果表

4、明，肖特基漏與漏場(chǎng)板相結(jié)合可以有效地提高器件的反偏阻斷能力。最后，研究了漏場(chǎng)板對(duì)正偏阻斷電壓產(chǎn)生的影響。為了防止漏場(chǎng)板對(duì)正偏阻斷電壓產(chǎn)生負(fù)面影響，柵邊緣和漏場(chǎng)板邊緣的間距必須要大于某個(gè)特定值，該值要保證漏場(chǎng)板不會(huì)擠壓正漏壓產(chǎn)生的電勢(shì)。
　　作者在第四章中提出了一組耗盡電容模型，來解釋AlGaN/GaN HEMT中高k鈍化層提高擊穿電壓的機(jī)理。對(duì)于帶有鈍化層的HEMT，柵金屬的側(cè)壁和頂端會(huì)與GaN基異質(zhì)結(jié)材料形成金屬/絕緣體/半導(dǎo)體

5、結(jié)構(gòu)(MIS結(jié)構(gòu))，這是高 k鈍化層調(diào)制電場(chǎng)的真正原因。基于提出的耗盡電容模型，第一次發(fā)現(xiàn)柵金屬高度和場(chǎng)板厚度可以影響電場(chǎng)分布和擊穿電壓。較厚的柵金屬可以提高器件的擊穿電壓，較厚的場(chǎng)板可以緩解場(chǎng)板處的電場(chǎng)峰值，也可以進(jìn)一步改善器件的擊穿特性。此外，結(jié)合提出的耗盡電容模型和高k鈍化層強(qiáng)大的電場(chǎng)調(diào)制能力，作者設(shè)計(jì)了高特性AlGaN/GaN HEMT器件。設(shè)計(jì)的柵漏間距為7μm的HEMT，擊穿電壓為1310 V，功率品質(zhì)因數(shù)高達(dá)3.67×10

6、9 V2·?-1·cm-2，這一數(shù)值是所有GaN基HEMT的最高值。
　　本文實(shí)現(xiàn)了三種高性能GaN基電力電子器件，即高壓AlGaN溝道HEMT器件、增強(qiáng)型InAlN/GaN MISHEMT器件和高壓環(huán)形AlGaN/GaN HEMT器件。對(duì)于柵漏間距為3μm的AlGaN溝道HEMT，擊穿電壓從144 V提高到了320 V。此外，國(guó)際上首次通過采用變頻CV的方法對(duì)AlGaN溝道HEMT的陷阱態(tài)進(jìn)行了表征，研究發(fā)現(xiàn)AlGaN溝道HEM

7、T中的陷阱比GaN溝道HEMT要深大約0.04 eV。采用柵介質(zhì)與條件合理的F處理相結(jié)合的方法，同時(shí)提高了InAlN/GaN HEMT的閾值電壓和擊穿電壓。通過F處理，閾值電壓從-7.6 V正漂到了1.8 V。帶負(fù)電荷的F離子調(diào)制導(dǎo)帶，有效地降低了柵漏電和緩沖層漏電。柵漏間距為3μm，降低的緩沖層漏電將器件的擊穿電壓從80 V提高到了183 V。實(shí)驗(yàn)表明，柵介質(zhì)與條件合理的F處理相結(jié)合可以同時(shí)提高閾值電壓和擊穿電壓，是實(shí)現(xiàn)高壓增強(qiáng)型In

8、AlN/GaN HEMT的有效方法。柵漏間距為18.8μm的環(huán)形AlGaN/GaN HEMT，其擊穿電壓高達(dá)1812V。相對(duì)于常規(guī)長(zhǎng)條形HEMT，通過采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，柵漏間平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度從0.42 MV/cm增加到了0.96 MV/cm。常規(guī)的場(chǎng)板是在二維空間對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，從而提高擊穿電壓。作者制造的環(huán)形器件則是從第三個(gè)維度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)制，使得器件的擊穿特性有了很大的提升。這部分內(nèi)容在第五章中重點(diǎn)介紹。
　　在第六章中

9、指出了常規(guī)三端擊穿表征方法的局限性，并針對(duì)其在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題提出了一種改進(jìn)的方法。對(duì)于常規(guī)擊穿，作者總結(jié)了七種擊穿曲線，但是發(fā)現(xiàn)常規(guī)擊穿表征方法只能適用于其中的兩種。對(duì)于其他的五種擊穿曲線，一定漏壓范圍內(nèi)，柵漏電的數(shù)值比漏電流的數(shù)值要大。此外，源電流也不能用來表征緩沖層漏電，它們的數(shù)值和符號(hào)是不一致的。出現(xiàn)這些問題的原因，是常規(guī)擊穿表征方法在表征擊穿特性時(shí)將柵源電流忽略掉了。這些問題表明，為了能夠準(zhǔn)確地表征器件的擊穿機(jī)理，常規(guī)表征方法