GaN基凹槽柵MOSFET器件設計與制備技術研究.pdf

1、AlGaN/GaN異質結由于極化效應在異質結界面靠近GaN側產(chǎn)生了高濃度、高電子遷移率的二維電子氣導電溝道，使得AlGaN/GaN HEMT器件具有導通電阻小、開關速度快、正向導通飽和電流密度大等特點，在器件應用中占據(jù)較大優(yōu)勢，因此得到廣泛關注和研究。然而常規(guī)HEMT器件為常開型器件，器件實際應用中需要負壓驅動，驅動電路設計難度大、成本增加，且負壓驅動電路不具備失效保護功能，使得系統(tǒng)安全性降低。因此，如何實現(xiàn)高性能的增強型GaN電力電子

2、器件成為目前研究的熱點。
　　本文采用凹槽柵MOSFET器件結構實現(xiàn)GaN增強型器件。凹槽柵結構實現(xiàn)增強型器件的機理是通過改變柵極下方勢壘層的厚度來減弱柵槽異質結的極化效應，耗盡柵槽下方溝道的二維電子氣，完成閾值電壓調(diào)控，從而實現(xiàn)增強型器件。首先通過仿真軟件研究了柵槽刻蝕深度T對器件閾值電壓的影響，為后續(xù)實驗提供理論基礎。在仿真理論分析的基礎上進行了AlGaN/GaN凹槽柵MOSFET器件的實驗研究。實驗中出現(xiàn)凹槽柵MOSFET器

3、件閾值電壓為負值的非正常現(xiàn)象，測試器件的C-V特性發(fā)現(xiàn)在Al2O3與GaN界面存在大量固定正電荷。通過第一性原理計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鍵的結合能小于Ga-N鍵，柵介質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值。為了降低柵介質Al2O3與GaN界面固定正電荷的電荷密度

4、，實現(xiàn)器件閾值電壓調(diào)控，在優(yōu)化實驗中引入了N2氛圍中的柵介質后退火工藝。N離子Al2O3/GaN界面熱處理可有效恢復Ga-N鍵，降低了Al2O3與GaN界面正電荷密度，實現(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制減弱，增強型器件溝道載流子遷移率增大，最終得到閾值電壓7.6V，導通電阻19.5Ω.mm，飽和漏極電流355mA/mm，擊穿電壓1050V@Lgd=20μm的凹槽柵增強型MOSFET器件，是