【摘要】：GaN基材料具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、極化系數(shù)高、電子遷移率和電子飽和漂移速度高等一系列材料性能優(yōu)勢,是制備新一代高性能電力電子器件的優(yōu)選材料,具有重要的應(yīng)用前景。近年來,美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)均將GaN基電力電子器件列入重大戰(zhàn)略研究計劃,并已取得了重要進(jìn)展。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處由極化效應(yīng)產(chǎn)生的二維電子氣所制備的高電子遷移率晶體管(HEMT)是目前主要應(yīng)用的平面結(jié)構(gòu)GaN基功率器件,兼具高耐壓、高功率密度、高工作速度等優(yōu)勢。然而由于異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣存在,在實(shí)際應(yīng)用中需要相對復(fù)雜的柵驅(qū)動電路,以及不滿足失效安全要求。因此,在GaN基功率電子器件應(yīng)用中,增強(qiáng)型GaN基HEMT成為了重要的技術(shù)目標(biāo)。目前實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型GaN基HEMT功率電子器件的主要技術(shù)手段包括凹柵結(jié)構(gòu)、F離子注入技術(shù)、p型柵帽層、級聯(lián)(Cascode)結(jié)構(gòu)等。其中,通過AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上的p型GaN帽層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)界面處二維電子氣的耗盡是產(chǎn)業(yè)化主流技術(shù),p型柵帽層技術(shù)在界面質(zhì)量、器件開態(tài)特性等方面具有潛在優(yōu)勢,近些年來收到廣泛的關(guān)注和研究,也是本篇論文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。本論文將從器件模擬仿真與設(shè)計、工藝優(yōu)化、電學(xué)參數(shù)表征、可靠性分析等方面展開,在實(shí)現(xiàn)Si基增強(qiáng)型的p-GaN柵帽層GaN HEMT器件制備的基礎(chǔ)上,并重點(diǎn)開展p-GaN柵帽層HEMT中柵極接觸和鈍化層對器件性能的影響研究。對論文中涉及工作的具體總結(jié)如下:1.利用Silvaco TCAD仿真軟件中ATLAS器件仿真,研究分析了p-GaN柵帽層HEMT器件中AlxGa1-xN勢壘層厚度,勢壘層Al組分,p-GaN帽層空穴濃度,以及柵極金屬種類對器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),AlxGa1-xN勢壘層厚度越小,閾值電壓越大,器件柵控能力越強(qiáng),但是過薄的勢壘層會無法產(chǎn)生足夠濃度的二維電子氣;勢壘層Al組分越小,溝道中產(chǎn)生的二維電子氣濃度隨之降低,器件的閾值電壓也會相應(yīng)地增加,與之對應(yīng)的是輸出電流降低;閾值電壓會隨著p-GaN帽層空穴濃度提升而增加,但是過高的p-GaN帽層空穴濃度在實(shí)際工藝中難以實(shí)現(xiàn)。此外,不同柵極金屬種類以及與p-GaN材料的接觸類型也會對器件性能產(chǎn)生顯著的影響:對于采用肖特基接觸型柵金屬電極的器件,柵金屬的功函數(shù)越低,相應(yīng)器件的閾值電壓越高;對于采用歐姆型柵金屬接觸的器件,總體具有更低的閾值電壓和更高的飽和輸出電流;這為之后的器件設(shè)計提供了器件模型依據(jù)。2.基于標(biāo)準(zhǔn)光刻、干法刻蝕、電子束蒸發(fā)等工藝摸索和優(yōu)化,本工作成功實(shí)現(xiàn)了Si基增強(qiáng)型p-GaN柵帽層GaN HEMT器件的制備。其中,肖特基接觸型柵電極器件,閾值電壓達(dá)到1.72V,實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型工作模式;同時器件開關(guān)電流比達(dá)到107,關(guān)態(tài)柵漏電低至～10-6mA/mm。而歐姆柵的器件閾值電壓有所降低為0.42V,開關(guān)電流比同樣達(dá)到107,關(guān)態(tài)柵漏電低至～10-6mA/mm。在進(jìn)一步的正向柵壓應(yīng)力測試中,肖特基型柵極器件表現(xiàn)出較明顯的閾值電壓漂移,而歐姆型柵極器件的閾值電壓則非常穩(wěn)定。針對這一現(xiàn)象,本工作基于進(jìn)一步的C-V測試分析,提出了相應(yīng)的空穴積累的模型。3.針對非柵區(qū)域p-GaN帽層刻蝕表面的鈍化問題,對比研究了兩種GaN基功率器件中常用鈍化層材料(SiO2和SiNx)的鈍化效果。基于相應(yīng)的電學(xué)Ⅰ-Ⅴ特性、動態(tài)開啟電阻、低頻噪聲功率譜等參數(shù)的測試驗(yàn)證,成功實(shí)現(xiàn)了對GaN HEMT器件中電流崩塌效應(yīng)的有效抑制。相比于SiO2材料,SiNx作為鈍化層在降低器件柵漏電流和提高器件關(guān)態(tài)漏端擊穿電壓方面更具有優(yōu)勢,同時相應(yīng)的非柵區(qū)域p-GaN帽層刻蝕表面缺陷態(tài)密度更低。
【圖文】：

是制備新一代高性能功率電子器件的優(yōu)選材料，具有重要的應(yīng)用前景。逡逑ＧａＮ是一種由ＩＩＩ族元素－鎵（Ｇａ）和Ｖ族元素－氮（Ｎ）組成的穩(wěn)定化合物半逡逑導(dǎo)體材料。ＧａＮ材料一般有纖鋅礦和閃鋅礦兩種晶體結(jié)構(gòu)，如圖１．１．１所示。原逡逑子層的堆垛順序的不同導(dǎo)致這兩種結(jié)構(gòu)分別是穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)，他們在宏觀上表現(xiàn)逡逑出來的電學(xué)性能也大相徑庭。逡逑纖鋅礦結(jié)構(gòu)是ＧａＮ材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，屬于Ｐ６３ｍｃ空間群，它由兩套六方密逡逑排的子晶格組成，Ｇａ原子和Ｎ原子沿Ｃ軸方向錯位，每個子晶格包含一種原子。逡逑其面內(nèi)和軸向的晶格常數(shù)分別為ａ邋＝邋０．３１８９邋ｎｍ，ｃ邋＝邋０．５１８５邋ｎｍ。逡逑閃鋅礦結(jié)構(gòu)是ＧａＮ材料的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，屬于Ｔｄ２邋（４３ｍ）點(diǎn)群和Ｔｄ邋（Ｆ－４３ｍ）逡逑空間群，它由沿對角線錯位丨／４距離的兩個面心立方子晶格鑲嵌組成，其晶格常逡逑數(shù)通常為邋０．４５１邋ｎｍ｜４’５１。逡逑１逡逑

圖１．２．２ＧａＮ和ＡＩＧａＮ自發(fā)及壓ｉＵ極化示意圖逡逑／ＧａＮ邋ＨＥＭＴ功率電子器件逡逑ＧａＮ邋基高電子遷移率晶體管（ｈｉｇｈ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｍｏｂｉｌｉｔｙ邋ｔｒａｎｓ／ＧａＮ異質(zhì)結(jié)的極化特性，在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異質(zhì)結(jié)界面效應(yīng)，在界面處ＧａＮ—側(cè)形成三角勢阱，電子束縛在勢界面的薄層中運(yùn)動，即為二維電子氣（２ＤＥＧ）。通過控的濃度可以實(shí)現(xiàn)對溝道通斷的控制，即為高電子遷移，（ａ）為ＡｌＧａＮ／ＧａＮ邋ＨＥＭＴ器件結(jié)構(gòu)與材料極化效構(gòu)圖。由于異質(zhì)結(jié)界面處二維電子氣的存在，，ＡｌＧａＮ／密度、高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻、高工作頻率等優(yōu)點(diǎn)，對大功率、高功效、高頻、高速的要求１〃１。逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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