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(chǎng)高、電子飽和速率高、耐高溫、抗輻照等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（AlGaN/GaN HFET）可以同時(shí)獲得高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻，被認(rèn)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(duì)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(wèn)題，建立了帶有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HFET溝道電場(chǎng)分布模型，研究了AlGaN/GaN HFET器件變溫特性與高場(chǎng)應(yīng)力下?lián)舸┨匦宰兓?，提出了新型AlGaN/GaN HFET耐壓結(jié)構(gòu)并分別進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　（1）帶有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN HFET溝道電場(chǎng)分布模型。首先對(duì)器件溝道橫向電場(chǎng)分布與器件參數(shù)之間物理關(guān)系進(jìn)行了分析，接著通過(guò)求解泊松方程，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真，建立

3、了器件溝道電場(chǎng)分布模型。該模型同時(shí)適用于柵場(chǎng)板與源場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，所得模型與仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好?；谠撃Ｐ停瑢?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(dá)式。
　?。?）測(cè)試了變溫條件下 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)傳輸線測(cè)試圖形和 HFET器件，分析表明溫度上升時(shí)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(shí)，2DEG遷移率僅為室溫下的34％。
　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試了變溫下高場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)力后，器件的擊穿電壓有所增大，證實(shí)了鈍化后表面陷阱仍在起作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有應(yīng)力時(shí)間大于300s時(shí)，表面陷阱才會(huì)被充電；表面陷阱充電需要一個(gè)特征電場(chǎng)，室溫下該特征電場(chǎng)值為0.12MV/c m；200℃時(shí)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(chǎng)分布均勻性差的問(wèn)題。在器件背部引入一接地的背電極，當(dāng)器件反向偏置時(shí)，該背電極通過(guò)感應(yīng)誘生負(fù)電荷來(lái)調(diào)節(jié)溝道電場(chǎng)分布，提升溝道電場(chǎng)均勻性和器件耐壓。仿真結(jié)果顯示，對(duì)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(shí)對(duì)器件導(dǎo)通電阻幾乎沒(méi)有影響。
　?。?）對(duì)垂直AlGaN/GaN HFET（AlGaN/GaN VHFET）結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(shí)，器件擊穿機(jī)制為雪崩電離，反之為泄漏電流，在器件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免器件由于漏電而擊穿。優(yōu)化設(shè)計(jì)了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了使器件優(yōu)值達(dá)到最大值的最佳器件參數(shù)值。
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7、）針對(duì)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(wèn)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(guò)Al組分漸變而產(chǎn)生的極化電場(chǎng)來(lái)提升p型雜質(zhì)激活率，增強(qiáng)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(duì)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(shí)，器件擊穿電壓較普通結(jié)構(gòu)提升了約35%，同時(shí)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(kuò)展，器件導(dǎo)通電阻幾乎沒(méi)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(chǎng)隨著遠(yuǎn)離緩沖層/電流阻擋層界面而逐漸降低的問(wèn)題，在n-GaN緩沖層內(nèi)引入p型埋層后，在每一個(gè)反向偏置的p-n結(jié)界面均形成電場(chǎng)峰值，從而有效提升緩沖層內(nèi)電場(chǎng)均勻性與耐壓強(qiáng)度。分析表明，當(dāng)緩沖層厚度為14.5μm，摻雜濃度為1×1016cm-3時(shí)，器件擊穿