GaN基HEMT熱效應(yīng)與耐壓新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、由于GaN優(yōu)異的材料特性使GaN基HEMT走向?qū)嵱没A段。然而要將此技術(shù)推向更高耐壓的的應(yīng)用領(lǐng)域,以及更為惡劣的高溫工作環(huán)境,器件的熱可靠性及如何緩和擊穿電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
　　針對以上問題,首先本文介紹了極化效應(yīng)、二維電子氣等產(chǎn)生機理以及 GaN HEMT器件的工作原理。并分別對單柵及均勻多柵指AlGaN/GaN HEMT的各項結(jié)構(gòu)參數(shù)與器件溝道溫度的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析。研究表明,柵長對飽和電流和溝

2、道溫度都有很大的影響,而柵漏間距只影響溝道溫度。對于均勻多柵指AlGaN/GaN HEMT器件而言,溝道溫度隨功耗線性增加,柵指數(shù)越多,溫度上升越快。器件溝道溫度隨著柵指間距變小而加速上升,尤其是大柵寬器件,175μm柵寬的器件,柵指間距為10μm時的溝道溫度比柵指間距為40μm的升高了17％。
　　其次,分別對AlGaN/GaN HEMT和InAlN/GaN HEMT進(jìn)行變溫測試,并研究了兩種不同器件的性能退化機理。結(jié)果顯示,對

3、于AlGaN/GaN HEMT,溫度大于100℃時,飽和電流隨溫度的升高線性下降,器件膝電壓隨著溫度增加而右移。200℃時的飽和電流和跨導(dǎo)相比于室溫時分別降低了21％和23％。柵極肖特基反向泄漏電流隨著溫度的升高而增大。對于InAlN/GaN HEMT,200℃時的飽和電流相比于室溫下降低了76％,跨導(dǎo)相比于室溫下降低了71％。而肖特基反向泄漏電流則由于高溫致使肖特基電流輸運機制的改變出現(xiàn)了兩種情況,當(dāng)溫度小于100℃時,柵極肖特基反向

4、泄漏電流隨溫度升高而增加;當(dāng)溫度大于100℃時,柵極肖特基反向泄漏電流具有負(fù)溫度系數(shù)。
　　最后,針對GaN基HFET熱可靠性及擊穿電壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系,首次提出了一種超結(jié)垂直氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(super junction vertical GaN based heterostructure field effect transistor,GaN SJ-VHFET)。使用Sentaurus對GaN SJ-VHFET器

5、件孔徑寬度,p/n-GaN緩沖層濃度電學(xué)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化當(dāng)孔徑寬度為6μm,p/n-GaN緩沖層濃度分別為4×1015cm-3、2×1015cm-3時,得到擊穿電壓達(dá)1539V,比導(dǎo)通電阻為3.38mΩ?cm2的SJ-VHFET。在相同參數(shù)條件下, SJ-VHFET的比導(dǎo)通電阻比傳統(tǒng)已有垂直高電子遷移率晶體管降低了34％,然而擊穿電壓卻提高了5.2％。此外本結(jié)構(gòu)還具有溝道溫度低、緩沖層泄漏電流小、芯片面積占用小、便于封裝等多方面