【摘要】：功率開關(guān)晶體管是電力電子系統(tǒng)的核心器件。氮化鎵(GaN)因其具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度大等優(yōu)勢,使之在電力電子系統(tǒng)具有巨大的應(yīng)用潛力。因此,設(shè)計具有高閾值電壓、低導(dǎo)通電阻、低反向泄漏電流、高擊穿電壓的高性能GaN功率開關(guān)器件具有重要價值。本文針對傳統(tǒng)AlGaN/GaN HFET存在的問題(閾值電壓低、電場分布不均勻、反向阻斷能力弱等),分別提出了具有埋層結(jié)勢壘的橫向AlGaN/GaN BJB-HFET新結(jié)構(gòu)和具有GaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)的縱向功率DH-VMOS新結(jié)構(gòu)。主要研究內(nèi)容如下:(1)提出一種具有結(jié)勢壘埋層的高壓增強型HFET器件新結(jié)構(gòu)(Buried-Junction-Barrier for Breakdown Improvement and Threshold-Voltage Modulation,BJB-HFET)。BJB-HFET的特點為:1、通過在柵極下方區(qū)域引入平行于二維電子氣(2-DEG)溝道的結(jié)勢壘埋層(BJB)。BJB結(jié)構(gòu)一方面會在buffer層中引入電子阻擋層,從而有效降低器件在耐壓時buffer層的反向泄漏電流。另一方面,BJB-HFET反向耐壓時,PN結(jié)的耗盡區(qū)會隨著反偏電壓的增大而向漏極擴展。因此,BJB結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控溝道電場重新分布從而降低器件體內(nèi)電場(REduce BULk Field-REBULF),尤其是降低柵漏邊緣附近的電場峰值。仿真表明,與沒有BJB結(jié)構(gòu)相比,柵漏間距為5μm的BJB-HFET的最大電場峰值降低了60%,且其buffer層反向泄漏電流降低了約5個數(shù)量級(V_(DS)=383 V),擊穿電壓提升約211%。2、由于位于柵極下方的BJB結(jié)構(gòu)起到背勢壘的作用能夠抬升其上方異質(zhì)結(jié)能帶,因此BJB-HFET也獲得了更高的閾值電壓(3.4 V)。(2)提出了具有GaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)的縱向功率MOSFET新結(jié)構(gòu)(A Novel Enhancement-Mode GaN Vertical MOSFET with Double Hetero-Junction for Threshold Voltage Modulation,DH-VMOS)。DH-VMOS的特點為:1、在縱向GaN漂移區(qū)之上設(shè)計橫向GaN-top/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)。通過改變GaN-top層的厚度來調(diào)節(jié)雙異質(zhì)結(jié)的極化效應(yīng),進而實現(xiàn)對器件閾值電壓大范圍靈活的調(diào)控。仿真結(jié)果表明,將GaN-top層的厚度從5 nm增加到40 nm,DH-VMOS新結(jié)構(gòu)的閾值電壓相應(yīng)地從+2.9 V增大到+4 V。2、存在于AlGaN/GaN下異質(zhì)結(jié)界面處的2-DEG溝道是器件電流溝道的主要組成部分,高遷移率的2-DEG有助于減小DH-VMOS器件的導(dǎo)通電阻。3、在縱向GaN漂移區(qū)引入P-GaN來優(yōu)化電場從而實現(xiàn)高耐壓。此外,本工作也著重研究了浮空P-GaN的關(guān)鍵參數(shù)(如物理尺寸、摻雜濃度)對器件電學(xué)特性的影響,而這些研究結(jié)果對材料生長、器件設(shè)計起到重要的參考作用。
【圖文】：

業(yè)等諸多領(lǐng)域。因此，開發(fā)更高性能的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件是節(jié)約電能改善人類生活環(huán)境的現(xiàn)實要求，是綠色經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢。圖1-1 電力電子系統(tǒng)存在于電能利用的各個環(huán)節(jié)因為第一代半導(dǎo)體硅（Si）易于加工、可用性和有關(guān)其材料特性的豐富信息，在很長一段時間內(nèi)一直是功率器件的首選材料�；诘谝淮雽�(dǎo)體材料硅，目前業(yè)界主流功率開關(guān)器件有二極管（Diode）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。然而，，越來越復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)（如自動駕駛汽車激光雷達系統(tǒng)、無線充電、快速充電、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源架構(gòu)以及工作環(huán)境更加苛刻的航天領(lǐng)域）對半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的功率密度、工作速度、體積、能耗比、可靠性以及在惡劣的環(huán)境下工作的可靠性提出了更高性能的要

能的材料特性（如禁帶寬度、臨界擊穿電場、抗福噪能力、載流子遷移率、溝道電子飽和速度以及熱傳導(dǎo)率等）來滿足 Si 基器件難以企及的新興電力電子系統(tǒng)。圖1-2 未來功率器件復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用圖1-3 未來功率器件在航天、通訊等領(lǐng)域系統(tǒng)應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體憑借其獨特的材料特性很適合做功率開關(guān)器件。近年來，GaN 基電力電子技術(shù)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，特別是 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)由于自發(fā)極化和壓電極化產(chǎn)生高遷移率、高濃度的二維電子氣（2-DEG）[1-2]非常適合開發(fā)具有低導(dǎo)通電阻、高電流密度的開關(guān)器件。相比于傳統(tǒng)的 Si 半導(dǎo)體材料，其電子飽和速度、禁帶寬度、臨界擊穿電場都有顯著的優(yōu)勢（如表 1-1）。更重要的是，由于寬帶隙、高臨界擊穿電場
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(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：2661066