【摘要】：增強型p-GaN柵高電子遷移率晶體管(HEMT)由于其優(yōu)異的器件性能和可靠性成為了第一代商用的GaN功率開關(guān)器件,可廣泛應(yīng)用于消費電子、電動汽車等領(lǐng)域。采用H等離子體處理制備的高阻蓋帽層HEMT(HRCL-HEMT)器件是一種p-GaN柵HEMT器件,擊穿電壓高,電流崩塌小。目前,p-GaN柵HEMT器件的柵極可靠性成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點。因此,本論文圍繞HRCL-HEMT器件展開,研究其柵極漏電、正向擊穿特性,主要的內(nèi)容如下:1.HRCL-HEMT器件柵極漏電研究。通過變溫電流-電壓(IG-VG)測試研究了Pd/Au和Ti/Au柵金屬器件的柵極漏電,研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)柵極承受反向偏壓或正向低偏壓時,器件的柵極漏電均由表面漏電主導(dǎo),其機理為二維變程跳躍(2D-VRH);當(dāng)柵極承受正向高偏壓時,柵極金屬對柵極漏電有顯著影響,Pd/Au和Ti/Au柵金屬器件主導(dǎo)的漏電機理分別是熱場發(fā)射(TFE)和Poole-Frenkel發(fā)射(PFE)。2.HRCL-HEMT器件柵極正向擊穿研究。通過柵極正向變溫擊穿、臺階應(yīng)力和隨時間失效(TTF)測試研究Pd/Au、Ti/Au和Ni/Au柵金屬器件的柵極正向擊穿特性,研究發(fā)現(xiàn):Pd/Au和Ti/Au柵金屬器件在柵極臺階應(yīng)力下分別表現(xiàn)出“電流驅(qū)動型”和“電場驅(qū)動型”退化,Ni/Au柵金屬器件在柵極變溫擊穿測試中,擊穿電壓隨溫度升高而增大,表現(xiàn)出雪崩擊穿特性。此外,在TTF測試中,Ni/Au和Ti/Au柵金屬器件柵極壽命均服從威布爾(Weibull)分布,且與初始柵極漏電負相關(guān)。3.AlBN介質(zhì)初步研究。上述研究發(fā)現(xiàn)柵極漏電影響HRCL-HEMT器件的性能,因此需要尋找合適的介質(zhì)材料來改善柵極漏電。AlN可以與GaN形成高質(zhì)量的界面,但是其絕緣性不好,在AlN中摻入B可以提高其絕緣性。通過脈沖激光沉積(PLD)成功得到AlBN材料,并將AlBN作為介質(zhì)層制備了MIS-HEMT器件,通過IG-VG和電容-電壓(C-V)測試發(fā)現(xiàn):AlBN MIS-HEMT器件的性能與常規(guī)HEMT器件基本相同,AlBN介質(zhì)有待進一步研究。
【圖文】：

ＢＦＯＭ值大（低頻和高頻的分別為１４５０倍和１８０倍）［２４］。因此，基于ＧａＮ材逡逑料的電力電子器件可以滿足高頻率、大功率和高效率等要求，是未來發(fā)展的重逡逑要方向。圖１．邋１給出了基于ＧａＮ材料的電力電子器件可以應(yīng)用的領(lǐng)域［５＿７］。逡逑表１．１不同半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)１２１逡逑邐物理參數(shù)邐Ｓｉ邐ＧａＡｓ邋４Ｈ－ＳｉＣ邋ＧａＮ逡逑禁帶寬度＆邋（ｅＶ）邐１．１２邐１．４２邐３．２５邐３．４５逡逑擊穿場強恿（ＭＶ．ｃｍ—１）邐０．３邐０．４邐３．０邐３．３逡逑電子飽和速度邋Ｇ邋（ｃｍｓ－１）邐ｌｘｌ0７邐２ｘｌ0７邐２ｘｌ０７邐２．７ｘｌ0７逡逑電子遷移率／／ｅ邋（ｃｍ２．Ｖ＿ｌ．ｓ＿１）邐１４００邐８５００邐１０２０邐１０００逡逑Ｂａｌｉｇａ邋優(yōu)值（高頻）１邐１１邐７３邐１８０逡逑邐Ｂａｌｉｇａ邋優(yōu)值（低頻）￡／／ｅ￡ｃ３邐１邐１６邐６００邐１４５０逡逑注：Ｂａｌｉｇａ優(yōu)值以Ｓｉ材料為單位“１”標(biāo)準(zhǔn)，可以衡量半導(dǎo)體材料在高頻、大功率方面的應(yīng)用潛力逡逑１００邋ｋＷ＾邐丨ｔｉ邋動}r逡逑．１0邋ｋＷ邋灥掌＞邐＾逡逑Ｓ邐ｆ邐Ｉ：業(yè)驅(qū)動逡逑ｗ邋１邋ｋＷ逡逑０電視逡逑１００邋Ｗ邐尤線充電瞻電職悐游戲機逡逑１０Ｗ邐＾電壓逡逑３０邋Ｖ邋１00Ｖ邋３００邋Ｖ邋６００邋Ｖ邋１２００邋Ｖ逡逑圖１．１基于ＧａＮ材料的電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域逡逑除了邋ＧａＮ材料本身的優(yōu)異特性，ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異質(zhì)結(jié)因為壓電極化和自發(fā)逡逑１逡逑

常規(guī)ＨＥＭＴ器件都是耗盡型器件。在實際電路應(yīng)用中，耗盡型器件需要引入負逡逑壓源使器件關(guān)斷，存在安全隱患，同時增加電路的復(fù)雜性和成本。因此在實際逡逑應(yīng)用中更傾向于使用增強型器件。實現(xiàn)增強型ＨＥＭＴ的主要方案如圖１．２所示，逡逑分別為（ａ）邋ｃａｓｃｏｄｅ結(jié)構(gòu)，將耗盡型的常規(guī)ＨＥＭＴ器件和增強型Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ逡逑器件連接［１１］；邋（ｂ）Ｆ離子處理，用Ｆ離子對柵極下方的ＡｌＧａＮ勢壘層進行處理，逡逑從而耗盡２ＤＥＧ［１２］；邋（ｃ）凹槽柵結(jié)構(gòu)，刻蝕去除柵極下方部分或者全部的ＡｌＧａＮ逡逑勢壘層，，減弱極化效應(yīng)［１３］；邋（ｄ）ｐ型柵結(jié)構(gòu)，在柵極金屬和ＡｌＧａＮ勢壘層之間逡逑插入ｐ－ＧａＮ，通過ｐ－ＧａＮ耗盡柵極Ｆ方的２ＤＥＧ［１４］。逡逑？邐Ｆ離子處理逡逑」「Ｔ邋耗盡甩邐Ｓ邐Ｄ逡逑￣｜邐ＧａＮ邋ＨＥＭＴ邐■…邐ＡｌＧａＮ逡逑＾邐Ｉ＂邐Ｇ￣ａＮ邐ＩｐｉＧ＂逡逑＾邐增強型逡逑—Ｉ邋Ｌ／ｑ＾邋Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ邐邐逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ａ）邐Ｃａｓｏｄｅ結(jié)構(gòu)邐（ｂ）邐Ｆ離子處理逡逑／ｕ丨梢柵邐Ｇ邐ｙＰ－ＧａＮ逡逑Ｓ邋Ｇ邐Ｄ邋ｓ邐Ｄ逡逑－邋ＡｌＧａＮ邐４邋＾＾■■■ＡＩＧａＮ逡逑Ｇ￣ａＮ邐１ｄ￣ｅＳ邐Ｇ￣ａＮ邐ＩｐｉＧ＂逡逑Ｂｕｆｆｅｒ邐Ｂｕｆｆｅｒ逡逑Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ邐Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑（ｃ）凹槽柵結(jié)構(gòu)邐（ｄ）邐ｐ型柵結(jié)構(gòu)逡逑圖１．邋２實現(xiàn)增強型ＨＥＭＴ的主要方案１ｕ＿ｌ４１逡逑Ｃａｓｃｏｄｅ結(jié)構(gòu)包括一個Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件，Ｓｉ邋ＭＯＳＦＥＴ器件工作頻率和溫度逡逑相對于ＧａＮ材料低
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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本文編號：2606349