【摘要】：自GaN(氮化鎵)高亮度藍(lán)光LED的發(fā)明獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后,新型化合物半導(dǎo)體GaN逐漸被大眾所熟知�；贕aN的大功率電子器件以其高擊穿特性、高電流密度、高開(kāi)關(guān)速度、低開(kāi)態(tài)電阻和高熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年大約有10%的電能被浪費(fèi)在電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中,這相當(dāng)于全球每年獲取的風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能等所有清潔能源的總和。隨著全球能源危機(jī)的加劇,人類迫切需要更為高效的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng),而大功率器件恰好是電能轉(zhuǎn)換的核心技術(shù)。搭載GaN基功率器件的設(shè)備不僅可以節(jié)省用電,還可以簡(jiǎn)化笨重的散熱裝置,這對(duì)家用電器小型化以及大幅提升部分軍用武器性能具有重要意義。本文就是在此背景下開(kāi)展研究,采用擊穿場(chǎng)強(qiáng)更高的AlGaN代替常用的GaN作為緩沖層,通過(guò)優(yōu)化HEMTs(高電子遷移率晶體管)器件的緩沖層結(jié)構(gòu)、溝道層材料以及器件結(jié)構(gòu),獲得了兼具高擊穿電壓與低開(kāi)態(tài)電阻的多種新型AlGaN基電力電子器件。取得的研究結(jié)果如下:1.采用AlxGa1-xN漸變緩沖層,實(shí)現(xiàn)了性能出色的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與器件。該雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的RMS(表面粗糙度)只有0.16 nm,(10-12)面XRD搖擺曲線半高寬只有540 arcsec,室溫電子遷移率高達(dá)1744 cm2/V·s,2DEG面密度高達(dá)1.09×1013 cm-2。器件測(cè)試結(jié)果表明,雙異質(zhì)結(jié)HEMTs的電學(xué)特性全面超越常規(guī)單異質(zhì)結(jié)HEMTs,包括飽和漏電流從990 mA/mm提高到1014 mA/mm,峰值跨導(dǎo)從182 mS/mm提高到194 mS/mm,亞閾值擺幅從113 mV/dec下降到78 mV/dec,開(kāi)關(guān)比從105.3提高到106.2,漏致勢(shì)壘降低系數(shù)從24 mV/V降到14 mV/V,肖特基漏電流大約降低了75%,擊穿電壓從59 V提高到109 V。2.比較研究了AlGaN緩沖層厚度與GaN溝道層厚度對(duì)GaN雙異質(zhì)結(jié)器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),具有1400 nm AlxGa1-xN漸變緩沖層和70 nm GaN溝道層的材料樣品質(zhì)量遠(yuǎn)高于具有800 nm AlxGa1-xN漸變緩沖層12 nm GaN溝道層的樣品,包括RMS從0.22 nm降低到0.17 nm,刃位錯(cuò)面密度從2.4×109 cm-2降低到1.3×109 cm-2,載流子遷移率從1535 cm2/V·s提高到1602 cm2/V·s,載流子面密度從0.87×1013 cm-2提高到1.15×1013 cm-2,飽和漏電流從757 mA/mm提高到1050 mA/mm,開(kāi)態(tài)電阻從5.3Ω·mm降低到3.6Ω·mm,臺(tái)面漏電降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí),擊穿電壓從72 V提高到108 V。值得注意的是,1050 mA/mm是所有已經(jīng)報(bào)道的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)HEMTs所達(dá)到的最高水平。3.采用AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層,實(shí)現(xiàn)了高性能的Al0.40Ga0.60N/Al0.18Ga0.820N異質(zhì)結(jié)材料和HEMT器件。與單純AlGaN緩沖層相比,AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層能夠有效提升外延材料質(zhì)量,降低異質(zhì)結(jié)的表面粗糙度,提高異質(zhì)結(jié)中2DEG的面密度和遷移率,降低異質(zhì)結(jié)的方塊電阻。HEMT器件的性能也得到了大幅提升,包括飽和電流提高了148%,峰值跨導(dǎo)提高了74%,開(kāi)態(tài)電阻從31.2Ω·mm降低到了8.1Ω·mm。4.在國(guó)際上首次展示了AlGaN溝道MIS-HEMTs,并比較了柵漏間距對(duì)器件擊穿場(chǎng)強(qiáng)和擊穿電壓的影響。采用SiNx柵介質(zhì)可以有效的降低器件的柵漏電,使得器件在柵漏間距為2μm時(shí),器件的擊穿電壓為359 V,平均擊穿電場(chǎng)高達(dá)1.8 MV/cm。擊穿電壓并不隨著柵漏間距線性增加,擊穿電場(chǎng)隨著柵漏間距的增加而逐漸下降。當(dāng)柵漏間距達(dá)到20μm時(shí),器件的擊穿電壓達(dá)到1661 V,平均擊穿電場(chǎng)下降到0.83MV/cm,這是由于柵漏間距過(guò)大時(shí)負(fù)柵壓難以有效耗盡靠近漏端的溝道中的載流子。柵介質(zhì)的引入、勢(shì)壘層、溝道層和緩沖層的材料禁帶寬度較大是導(dǎo)致AlGaN溝道MIS-HEMTs擁有卓越的擊穿特性的關(guān)鍵因素。5.研究了AlGaN溝道MIS-HEMTs器件的變溫特性,發(fā)現(xiàn)該器件具有卓越的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)測(cè)試溫度從25℃升高到275℃時(shí),AlGaN溝道MIS-HEMTs的飽和電流從211 mA/mm下降到169 mA/mm(VGS=4 V),降幅只有20%,而器件的靜態(tài)開(kāi)態(tài)電阻也僅僅升高了24%。AlGaN溝道MIS-HEMTs高溫穩(wěn)定性主要得益于其載流子遷移率在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定。AlGaN溝道HEMTs的優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性非常適合工作環(huán)境惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域,比如航天器,航空發(fā)動(dòng)機(jī)和采礦業(yè)等領(lǐng)域。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN386

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