Si基GaN超勢(shì)壘功率二極管

發(fā)布時(shí)間：2020-04-07 10:18

【摘要】：GaN器件在經(jīng)過(guò)近十年的高速發(fā)展后,相比于傳統(tǒng)硅基MOSFETs,其在高速、高效、高功率應(yīng)用領(lǐng)域已展現(xiàn)出越來(lái)越明顯的性能優(yōu)勢(shì)。為充分發(fā)揮GaN器件高頻、高能效、高功率密度、工作溫度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),最大限度地提升GaN基電力電子系統(tǒng)的性能,開發(fā)單芯片硅基GaN功率IC是必然趨勢(shì)。除GaN晶體管外,二極管也是發(fā)展GaN單片功率IC不可或缺的核心器件之一。然而業(yè)界對(duì)GaN-on-Si二極管的研究甚少,目前尚無(wú)其商用產(chǎn)品,因此開發(fā)具有超低開啟電壓、低導(dǎo)通電阻、低反向漏電、高耐壓和高均一性的GaN功率二極管十分必要。本文針對(duì)上述背景,提出了一種高性能的GaN-on-Si二極管新結(jié)構(gòu),并對(duì)其在射頻混合信號(hào)方向的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下:(1)提出一種超勢(shì)壘混合陽(yáng)極GaN橫向功率二極管新結(jié)構(gòu)(Hybrid-anode Super-barrier Diode—HSD)。該結(jié)構(gòu)采用超薄勢(shì)壘AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié),其溝道2DEG密度(~10~122 cm~(-2))比傳統(tǒng)常規(guī)勢(shì)壘(~10~133 cm~(-2))降低了1個(gè)量級(jí),具有天然的整流特性。后期通過(guò)在異質(zhì)結(jié)上生長(zhǎng)LPCVD-SiN_x等介質(zhì)層,利用其引入的介質(zhì)電荷和介質(zhì)應(yīng)力來(lái)恢復(fù)access region中的2DEG,柵下區(qū)域由于介質(zhì)層被去除而保留了其天然的整流特性,因此可在實(shí)現(xiàn)整流特性的同時(shí)充分降低器件導(dǎo)通電阻。相比于傳統(tǒng)常規(guī)勢(shì)壘結(jié)構(gòu),HSD具有兩大優(yōu)勢(shì):一,通過(guò)控制MOCVD生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層厚度可實(shí)現(xiàn)開啟電壓的精確調(diào)控;二,不需要對(duì)柵下勢(shì)壘層進(jìn)行額外的“處理”,如刻蝕或離子注入,可極大地降低該步工藝中可能產(chǎn)生的晶格損傷及其帶來(lái)的器件性能衰退問(wèn)題,有利于實(shí)現(xiàn)高性能的GaN二極管。(2)仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化并實(shí)驗(yàn)制備GaN HSD器件。本文首先通過(guò)仿真對(duì)異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的厚度進(jìn)行優(yōu)化;其次對(duì)優(yōu)化后的HSD進(jìn)行流片實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)中不斷優(yōu)化工藝菜單以開發(fā)適用于HSD器件的制備技術(shù);最終獲得的HSD器件開啟電壓僅為0.35V,L_(ac)=10μm時(shí)耐壓達(dá)到800V以上。同一晶圓上制備的155個(gè)器件,其開啟電壓標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.025V,表明器件性能具有高均勻性。(3)HSD器件的拓展應(yīng)用——零偏壓混頻器。該混頻器由兩個(gè)GaN HSD器件并聯(lián)而成,器件直流測(cè)試結(jié)果顯示,HSD混頻器在0V附近具有較強(qiáng)的非線性,室溫下的開啟電壓僅為0.2V;經(jīng)初步的RF測(cè)試可看出,當(dāng)溫度高達(dá)200℃時(shí),器件表現(xiàn)出較好的混頻特性,表明器件具有良好的高溫特性。
【圖文】：

Si基GaN超勢(shì)壘功率二極管