【摘要】：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,因此得到廣泛關(guān)注和研究。然而常規(guī)HEMT器件為常開型器件,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)理是通過改變柵極下方勢壘層的厚度來減弱柵槽異質(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。本文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(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器件閾值電壓為負(fù)值的非正常現(xiàn)象,測試器件的C-V特性發(fā)現(xiàn)在Al_2O_3與GaN界面存在大量固定正電荷。通過第一性原理計(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)Al_2O_3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)Al_2O_3與GaN界面固定正電荷的電荷密度,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Al_2O_3/GaN界面熱處理可有效恢復(fù)Ga-N鍵,降低了Al_2O_3與Ga N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,是目前報(bào)道的閾值電壓大于5V器件中漏極飽和電流密度最大的AlGaN/GaN增強(qiáng)型器件。
[Abstract]:Due to polarization effect of AlGaN/GaN heterojunction, high concentration and high electron mobility of 2-D electron gas conduction channel are produced near the GaN side of the heterojunction surface, which makes AlGaN/GaN HEMT devices have low on-resistance and fast switching speed. Because of its high saturation current density, forward conduction has been paid more and more attention because of its advantages in device applications. However, conventional HEMT devices are normally open devices, which require negative voltage drive in practical application. The design of drive circuit is difficult, the cost is increased, and the negative voltage drive circuit does not have the function of failure protection, which makes the security of the system lower. Therefore, how to achieve high-performance enhanced GaN power electronic devices has become a hot research topic. In this paper, the grooved gate MOSFET device structure is used to realize the GaN enhanced device. The mechanism of the enhanced device with grooved gate structure is to weaken the polarization effect of the heterojunction by changing the thickness of the barrier layer below the gate, to exhaust the two-dimensional electron gas in the channel under the gate groove, and to complete the threshold voltage regulation. Thus, the enhanced device is realized. In this paper, the influence of gate groove etching depth T on the threshold voltage of the device is studied by means of simulation software, which provides a theoretical basis for subsequent experiments. Based on the theoretical analysis of simulation, the experimental study of AlGaN/GaN grooved gate MOSFET device is carried out. The abnormal phenomenon of negative threshold voltage of grooved gate MOSFET device is found in the experiment. The C-V characteristic of the device is measured and it is found that there is a large number of fixed positive charges at the interface between Al_2O_3 and GaN. Through first-principle calculation and analysis, it is found that the generation of fixed positive charge is due to a large number of Ga hanging bonds produced by gate groove etching, and the binding energy of Ga-O bond is less than that of Ga-N bond. The O atom in the gate dielectric Al_2O_3 can easily replace the N atom in GaN to form the Ga-O bond. The Ga-O bond and the hanging bond of Ga both exhibit positive electrical properties. The fixed positive charge attracts equal amount of electrons under the gate so that the threshold voltage of the grooved gate device is negative. In order to reduce the charge density of fixed positive charge at the interface between Al_2O_3 and GaN, the threshold voltage of the device can be controlled. In the optimization experiment, the post-annealing process of gate dielectric in N2 atmosphere was introduced. The N ion Al_2O_3/GaN interface heat treatment can effectively restore the Ga-N bond and reduce the positive charge density between Al_2O_3 and Ga N. The threshold voltage of 7.1V is controlled in a wide range. The decrease of the fixed positive charge density at the interface also weakens the channel scattering mechanism and increases the channel carrier mobility of the enhanced devices. Finally, the threshold voltage of 7.6V and the on-resistance of 19.5 惟 路mm, saturated drain current of 355mA-1 / mm are obtained. The Groove Gate enhanced MOSFET device with breakdown voltage of 1050V@Lgd=20 渭 m is reported to be the largest drain saturation current density enhanced AlGaN/GaN device in which the threshold voltage is larger than 5V.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN386

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 白超;;寬禁帶Ⅱ-VI族材料生長及其對器件的影響[J];發(fā)光快報(bào);1989年Z1期

2 ;蘇州納米所在增強(qiáng)型GaN HEMT器件研究方面取得進(jìn)展[J];人工晶體學(xué)報(bào);2017年02期

3 葉立劍;南京固體器件研究所1982年科研成果介紹[J];固體電子學(xué)研究與進(jìn)展;1983年01期

4 張慶中;對《MOS管閾值電壓的理論修正》一文的商榷[J];半導(dǎo)體技術(shù);1984年01期

5 須輪;南京固體器件研究所召開1983年度學(xué)術(shù)年會[J];固體電子學(xué)研究與進(jìn)展;1984年02期

6 陳裕權(quán);;采用非極性面提高FET的閾值電壓[J];半導(dǎo)體信息;2009年04期

7 董清云,楊之勇;MOS管閾值電壓的理論修正[J];半導(dǎo)體技術(shù);1983年03期

8 張永歡;姜巖峰;;近閾值電壓電路研究進(jìn)展[J];微電子學(xué);2016年01期

9 戚輝;郭鵬;張雪華;丁星星;張瑩;李夢;;水分子對有機(jī)場效應(yīng)晶體管閾值電壓穩(wěn)定性的影響[J];中原工學(xué)院學(xué)報(bào);2016年04期

10 楊慧;郭宇鋒;洪洋;;納米器件閾值電壓提取方法[J];功能材料與器件學(xué)報(bào);2014年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 龔旗煌;胡小永;李智;古英;張家森;楊宏;;介觀光子學(xué)器件研究進(jìn)展[A];2008介觀光學(xué)及其應(yīng)用研討會論文集[C];2008年

2 曹鏞;;聚合物發(fā)光材料與器件研究的進(jìn)展[A];第九屆全國發(fā)光學(xué)術(shù)會議摘要集[C];2001年

3 蔣亞東;吳志明;;有機(jī)功能材料及器件研究進(jìn)展[A];第三屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集[C];1998年

4 張洪濤;郭雪峰;;界面修飾功能化有機(jī)場效應(yīng)晶體管[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

5 熊俊峰;劉祥遠(yuǎn);郭陽;;基于多閾值電壓技術(shù)的功耗優(yōu)化方法研究[A];第十六屆計(jì)算機(jī)工程與工藝年會暨第二屆微處理器技術(shù)論壇論文集[C];2012年

6 程珍娟;張波;鄭儒富;王少軍;;高性能欠壓鎖定電路的設(shè)計(jì)[A];四川省電子學(xué)會半導(dǎo)體與集成技術(shù)專委會2006年度學(xué)術(shù)年會論文集[C];2006年

7 郭云龍;狄重安;于貴;劉云圻;;薄膜微結(jié)構(gòu)對有機(jī)光晶體管閾值電壓的影響[A];全國第八屆有機(jī)固體電子過程暨華人有機(jī)光電功能材料學(xué)術(shù)討論會摘要集[C];2010年

8 黃新林;竇建華;;基于自適應(yīng)體偏壓技術(shù)的低功耗研究[A];全國第20屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議(CACIS·2009)暨全國第1屆安全關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（下冊）[C];2009年

9 童利民;;微納光纖及其器件研究進(jìn)展[A];2008介觀光學(xué)及其應(yīng)用研討會論文集[C];2008年

10 劉益春;;基于金屬氧化物-維納米線的電光/光電轉(zhuǎn)化器件研究[A];第八屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議摘要[C];2013年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 材料學(xué)院;材料學(xué)院陳娜等在室溫磁性半導(dǎo)體及器件研究中取得重要進(jìn)展[N];新清華;2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前6條

1 張曉波;染料摻雜的有機(jī)電致磷光/白光器件研究[D];上海大學(xué);2007年

2 劉向;有機(jī)薄膜晶體管及微腔頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件的研究[D];上海大學(xué);2007年

3 委福祥;新型高性能有機(jī)電致發(fā)光器件的研究[D];上海大學(xué);2007年

4 郭鵬;有機(jī)電雙穩(wěn)材料與器件的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2007年

5 何逸濤;高壓高性能LIGBT器件新結(jié)構(gòu)研究[D];電子科技大學(xué);2017年

6 朱朝嵩;GaAs閾值電壓均勻性與測試系統(tǒng)的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）;2002年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉麗;GaN基凹槽柵MOSFET器件設(shè)計(jì)與制備技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2017年

2 孫旭;新型功率器件關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];電子科技大學(xué);2018年

3 唐琰;多柵無結(jié)器件新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

4 蔣知廣;GaN功率器件擊穿機(jī)理與耐壓新結(jié)構(gòu)研究[D];電子科技大學(xué);2017年

5 單嬋;無結(jié)FinFET器件三維仿真研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

6 呂孟山;電導(dǎo)增強(qiáng)型橫向功率MOS器件新結(jié)構(gòu)與機(jī)理研究[D];電子科技大學(xué);2017年

7 楊溢;增強(qiáng)型GaN Trench-Gate MIS-HFET閾值電壓調(diào)控技術(shù)[D];電子科技大學(xué);2018年

8 包慧萍;低壓Trench MOSFET的輻射效應(yīng)研究[D];電子科技大學(xué);2018年

9 吳笛;高k+SiO_2柵全耗盡SOI MOSFET半解析模型的閾值電壓和DIBL效應(yīng)的研究[D];安徽大學(xué);2018年

10 徐倩倩;高壓SOI LDMOS器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[D];杭州電子科技大學(xué);2017年

，

本文編號：2430193