【摘要】：自GaN(氮化鎵)高亮度藍光LED的發(fā)明獲得2014年諾貝爾物理學獎后,新型化合物半導體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、高開關速度、低開態(tài)電阻和高熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢引起了學術界和工業(yè)界的極大興趣。據(jù)統(tǒng)計,全球每年大約有10%的電能被浪費在電能轉(zhuǎn)換過程中,這相當于全球每年獲取的風能、太陽能和水能等所有清潔能源的總和。隨著全球能源危機的加劇,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。搭載GaN基功率器件的設備不僅可以節(jié)省用電,還可以簡化笨重的散熱裝置,這對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展研究,采用擊穿場強更高的AlGaN代替常用的GaN作為緩沖層,通過優(yōu)化HEMTs(高電子遷移率晶體管)器件的緩沖層結構、溝道層材料以及器件結構,獲得了兼具高擊穿電壓與低開態(tài)電阻的多種新型AlGaN基電力電子器件。取得的研究結果如下:1.采用AlxGa1-xN漸變緩沖層,實現(xiàn)了性能出色的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N雙異質(zhì)結構材料與器件。該雙異質(zhì)結構材料的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1744 cm2/V·s,2DEG面密度高達1.09×1013 cm-2。器件測試結果表明,雙異質(zhì)結HEMTs的電學特性全面超越常規(guī)單異質(zhì)結HEMTs,包括飽和漏電流從990 mA/mm提高到1014 mA/mm,峰值跨導從182 mS/mm提高到194 mS/mm,亞閾值擺幅從113 mV/dec下降到78 mV/dec,開關比從105.3提高到106.2,漏致勢壘降低系數(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GaN雙異質(zhì)結器件性能的影響。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,開態(tài)電阻從5.3Ω·mm降低到3.6Ω·mm,臺面漏電降低了兩個數(shù)量級,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)報道的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N結構雙異質(zhì)結HEMTs所達到的最高水平。3.采用AlGaN/GaN復合緩沖層,實現(xiàn)了高性能的Al0.40Ga0.60N/Al0.18Ga0.820N異質(zhì)結材料和HEMT器件。與單純AlGaN緩沖層相比,AlGaN/GaN復合緩沖層能夠有效提升外延材料質(zhì)量,降低異質(zhì)結的表面粗糙度,提高異質(zhì)結中2DEG的面密度和遷移率,降低異質(zhì)結的方塊電阻。HEMT器件的性能也得到了大幅提升,包括飽和電流提高了148%,峰值跨導提高了74%,開態(tài)電阻從31.2Ω·mm降低到了8.1Ω·mm。4.在國際上首次展示了AlGaN溝道MIS-HEMTs,并比較了柵漏間距對器件擊穿場強和擊穿電壓的影響。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,器件的擊穿電壓為359 V,平均擊穿電場高達1.8 MV/cm。擊穿電壓并不隨著柵漏間距線性增加,擊穿電場隨著柵漏間距的增加而逐漸下降。當柵漏間距達到20μm時,器件的擊穿電壓達到1661 V,平均擊穿電場下降到0.83MV/cm,這是由于柵漏間距過大時負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、勢壘層、溝道層和緩沖層的材料禁帶寬度較大是導致AlGaN溝道MIS-HEMTs擁有卓越的擊穿特性的關鍵因素。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。當測試溫度從25℃升高到275℃時,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)境惡劣的應用領域,比如航天器,航空發(fā)動機和采礦業(yè)等領域。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN386

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