GaN基凹槽柵MOSFET器件設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究.pdf

1、AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)由于極化效應(yīng)在異質(zhì)結(jié)界面靠近GaN側(cè)產(chǎn)生了高濃度、高電子遷移率的二維電子氣導(dǎo)電溝道，使得AlGaN/GaN HEMT器件具有導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、正向?qū)柡碗娏髅芏却蟮忍攸c(diǎn)，在器件應(yīng)用中占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛關(guān)注和研究。然而常規(guī)HEMT器件為常開(kāi)型器件，器件實(shí)際應(yīng)用中需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)難度大、成本增加，且負(fù)壓驅(qū)動(dòng)電路不具備失效保護(hù)功能，使得系統(tǒng)安全性降低。因此，如何實(shí)現(xiàn)高性能的增強(qiáng)型GaN電力電子

2、器件成為目前研究的熱點(diǎn)。
　　本文采用凹槽柵MOSFET器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)GaN增強(qiáng)型器件。凹槽柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件的機(jī)理是通過(guò)改變柵極下方勢(shì)壘層的厚度來(lái)減弱柵槽異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng)，耗盡柵槽下方溝道的二維電子氣，完成閾值電壓調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型器件。首先通過(guò)仿真軟件研究了柵槽刻蝕深度T對(duì)器件閾值電壓的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。在仿真理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了AlGaN/GaN凹槽柵MOSFET器件的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)凹槽柵MOSFET器

3、件閾值電壓為負(fù)值的非正常現(xiàn)象，測(cè)試器件的C-V特性發(fā)現(xiàn)在Al2O3與GaN界面存在大量固定正電荷。通過(guò)第一性原理計(jì)算分析得出固定正電荷的產(chǎn)生是由于柵槽刻蝕產(chǎn)生大量Ga的懸掛鍵，且Ga-O鍵的結(jié)合能小于Ga-N鍵，柵介質(zhì)Al2O3中的O原子容易替代GaN中的N原子形成Ga-O鍵，Ga-O鍵與Ga的懸掛鍵均顯正電特性。固定正電荷在柵極下方吸引等量電子聚集，使得凹槽柵器件閾值電壓為負(fù)值。為了降低柵介質(zhì)Al2O3與GaN界面固定正電荷的電荷密度

4、，實(shí)現(xiàn)器件閾值電壓調(diào)控，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中引入了N2氛圍中的柵介質(zhì)后退火工藝。N離子Al2O3/GaN界面熱處理可有效恢復(fù)Ga-N鍵，降低了Al2O3與GaN界面正電荷密度，實(shí)現(xiàn)了器件閾值電壓7.1V的大范圍調(diào)控。界面固定正電荷密度的降低也使得溝道散射機(jī)制減弱，增強(qiáng)型器件溝道載流子遷移率增大，最終得到閾值電壓7.6V，導(dǎo)通電阻19.5Ω.mm，飽和漏極電流355mA/mm，擊穿電壓1050V@Lgd=20μm的凹槽柵增強(qiáng)型MOSFET器件，是