【摘要】：與SiC相比,GaN具有更寬的帶隙、更短的載流子壽命,更高的飽和電子漂移速度等特點(diǎn),是目前發(fā)展高壓、高頻、高功率光電導(dǎo)開關(guān)器件的優(yōu)選材料。目前暗態(tài)高阻(半絕緣)的GaN晶圓是通過(guò)摻鐵補(bǔ)償?shù)臍浠餁庀嗤庋由L(zhǎng)工藝得到的。用它制作成的傳統(tǒng)縱向型結(jié)構(gòu)光電導(dǎo)開關(guān),因?yàn)榘祽B(tài)漏電流問(wèn)題,實(shí)際耐壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本征GaN的理論值。因此本文研究一種集成了金屬-絕緣層-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和穩(wěn)壓二極管工作原理的光電導(dǎo)開關(guān)新型結(jié)構(gòu)——絕緣柵型光電導(dǎo)開關(guān),具體設(shè)計(jì)了一個(gè)耐壓20kV量級(jí)u形溝槽絕緣柵型半絕緣GaN:Fe光電導(dǎo)開關(guān)器件,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了其中一些關(guān)鍵制造參數(shù)和工藝。本文首先調(diào)研了當(dāng)前GaN材料生長(zhǎng)與器件制造工藝水平,綜合考慮后確定該器件制作流程。其次,基于SilvacoTCAD半導(dǎo)體工藝仿真工具模擬該器件,再用半導(dǎo)體器件物理仿真工具分析其伏安特性、靜態(tài)分壓閾值、柵壓控制動(dòng)態(tài)電壓轉(zhuǎn)移的預(yù)開通特性、532nm激光脈沖觸發(fā)等特性。然后,然后,通過(guò)不斷對(duì)各外延層生長(zhǎng)厚度、濃度、柵絕緣層厚度和柵槽刻蝕形狀等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使該器件直流耐壓達(dá)到23kV且其電觸發(fā)區(qū)和光觸發(fā)區(qū)的靜態(tài)分壓比達(dá)到3:20。最后,與傳統(tǒng)縱向型半絕緣GaN:Fe光電導(dǎo)開關(guān)的仿真對(duì)比結(jié)果表明,由于空間電荷區(qū)作用使得絕緣柵型光電導(dǎo)開關(guān)的漏電流明顯地被抑制;并且由于具有電觸發(fā)區(qū)與光觸發(fā)區(qū)的動(dòng)態(tài)分壓機(jī)制,使得絕緣柵型光電導(dǎo)開關(guān)的光電流脈沖峰值略高,即其柵壓控制的動(dòng)態(tài)分壓機(jī)制能在一定程度上提高激光能量利用率。溝槽刻蝕和激光耦合是U形溝槽絕緣柵型光電導(dǎo)開關(guān)器件的兩個(gè)關(guān)鍵工藝,因此本文對(duì)GaN晶體進(jìn)行了濕法、干法刻蝕實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了 GaN可被90℃、4M的KOH溶液腐蝕且Si3N4作為硬掩膜有效,且GaN可被450eV的氬等離子體刻蝕且刻蝕速率為2.07nm/min。本文還對(duì)GaN:Fe襯底進(jìn)行了重復(fù)頻率為1kHz、波長(zhǎng)為532nm的激光實(shí)驗(yàn),確定了入射晶面和光斑整形等激光耦合優(yōu)化方案。
【圖文】：

圖 1-1 300K 時(shí) Si、SiC、GaAs、GaN 的電子漂移速度與電場(chǎng)的關(guān)系【10-11】Fig. 1-1 Relationship between electron drift velocity and electric field of Si, SiC, GaAsand GaN at 300K【10-11】008 年，密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校的 Gyawali【12】報(bào)道了對(duì) GaN:Fe PCSS 以及的研究，仿真結(jié)果表明，GaN:Fe PCSS 由于其高捕獲截面，電壓最大限制在結(jié)構(gòu)的 SiC:V PCSS 則為 38kV。另外，與 SiC:V PCSS 相比，GaN:Fe PCSS時(shí)間更好，更適合制作光電導(dǎo)開關(guān)。但是它們?nèi)狈线m的半絕緣 GaN 材料SiC:V PCSS制作了半導(dǎo)體開關(guān)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GaN光電導(dǎo)開關(guān)仿真結(jié)果析。近幾年，美國(guó) Kyma 公司、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)等一直在研究半絕緣 質(zhì)，直到 Kyma 公司完善了在藍(lán)寶石基底上用氫化物氣相外延法生長(zhǎng) GaN，制作出了低缺陷密度的 2 英寸半絕緣 GaN，并首次將其商品化。2013 年美國(guó)司報(bào)道了國(guó)際首例高壓 GaN:Fe 光電導(dǎo)開關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。其開關(guān)具有低導(dǎo)通電）和短載流子復(fù)合時(shí)間<160ps，但是其最大耐壓（120kV/cm）遠(yuǎn)低于本征禁理論值（3MV/cm）【13】。另外，該文獻(xiàn)報(bào)道了（見圖 1-2）當(dāng)分別使用 160 532nm 激光器對(duì) GaN:Fe 光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，其最小導(dǎo)通電阻分別約為

ionship between electron drift velocity and electric field of Si, Sand GaN at 300K【10-11】大學(xué)哥倫比亞分校的 Gyawali【12】報(bào)道了對(duì) GaN:Fe果表明，GaN:Fe PCSS 由于其高捕獲截面，電壓最 PCSS 則為 38kV。另外，與 SiC:V PCSS 相比，GaN適合制作光電導(dǎo)開關(guān)。但是它們?nèi)狈线m的半絕緣作了半導(dǎo)體開關(guān)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GaN光電導(dǎo)開關(guān)美國(guó) Kyma 公司、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)等一直在研a 公司完善了在藍(lán)寶石基底上用氫化物氣相外延法陷密度的 2 英寸半絕緣 GaN，并首次將其商品化。2首例高壓 GaN:Fe 光電導(dǎo)開關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。其開關(guān)具有復(fù)合時(shí)間<160ps，但是其最大耐壓（120kV/cm）遠(yuǎn)低/cm）【13】。另外，該文獻(xiàn)報(bào)道了（見圖 1-2）當(dāng)分別對(duì) GaN:Fe 光電導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，其最小導(dǎo)通電
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM564

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2647149