【摘要】：半導體功率電子器件是電能轉(zhuǎn)換的核心元器件,廣泛應(yīng)用于風電、光伏、軌交、電動汽車、家電等領(lǐng)域。功率二極管作為一種整流器,是各類功率電路中不可缺少的關(guān)鍵元器件。相比于傳統(tǒng)的硅功率二極管,GaN基功率二極管因其出色的材料特性(如高臨界擊穿場強、高電子飽和漂移速率等),在相同的擊穿電壓下,器件導通損耗可大幅降低。目前,GaN自支撐襯底尺寸較小,價格昂貴,嚴重影響GaN基垂直結(jié)構(gòu)功率二極管的實用化。采用大尺寸硅襯底來異質(zhì)外延生長GaN,有望大幅降低制造成本。本論文圍繞硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)功率二極管(主要包括PiN和肖特基功率二極管(Schottky Barrier Diode,SBD))的外延生長、器件工藝以及器件性能等開展了較為深入的研究。主要工作內(nèi)容包括:1.無裂紋、低位錯密度硅基GaN厚層的外延生長。設(shè)計合理的Al組分梯度漸變的AlN/AlGaN應(yīng)力緩沖層,建立壓應(yīng)力,一方面,用來抵消降溫過程中硅與GaN之間熱膨脹系數(shù)失配導致的張應(yīng)力,從而實現(xiàn)無裂紋硅基GaN的外延生長;另一方面,該壓應(yīng)力與穿透位錯相互作用,促進位錯傾斜、拐彎,進而發(fā)生湮滅,從而得到低位錯密度的硅基GaN薄膜。通過以上技術(shù)手段,最終實現(xiàn)了總厚度9.4 μm(其中漂移區(qū)厚度5.5 μm)、位錯密度低至8×107 cm-2的高質(zhì)量硅基GaN SBD外延結(jié)構(gòu)。進一步,室溫PL和CL測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),漂移區(qū)GaN無明顯深能級缺陷相關(guān)的黃光發(fā)光帶,表明制備的硅基GaN外延薄膜中點缺陷濃度較低、光學質(zhì)量優(yōu)異,為高性能的硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)功率二極管的制備打下堅實基礎(chǔ)。2.硅襯底上高質(zhì)量、輕摻雜GaN漂移區(qū)重復、可控的生長。硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)功率二極管的器件導通電阻和擊穿電壓與GaN漂移區(qū)中的載流子濃度密切相關(guān)。本文系統(tǒng)研究了當器件中GaN漂移區(qū)采用SiH4進行輕摻雜時,MOCVD外延生長條件對其載流子濃度的影響。研究發(fā)現(xiàn):高溫、高壓以及低生長速率的條件,有利于抑制GaN中作為受主的背景雜質(zhì)C的并入,且能夠獲得高質(zhì)量GaN;Si雜質(zhì)的并入會隨著生長速率降低而增多。通過實驗,獲得了輕摻雜GaN漂移區(qū)的外延生長條件,并實現(xiàn)其載流子濃度在0.5～5 × 1016 cm-3范圍內(nèi)精確可控。3.硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)PiN和SBD器件的深臺面刻蝕工藝開發(fā)。主要包括厚層漂移區(qū)GaN的刻蝕及臺面?zhèn)缺诘目涛g損傷修復。研究發(fā)現(xiàn):(1)與光刻膠和Si02相比,金屬Ni作為刻蝕掩膜材料時,金屬Ni與GaN的刻蝕選擇比最高,且刻蝕后的GaN臺面?zhèn)缺诩暗撞烤^光滑;(2)利用金屬Ni作為掩膜,GaN臺面?zhèn)缺诘目涛g損傷層在堿性溶液中可選擇性地被腐蝕。進一步,分析器件反向漏電流隨尺寸變化,發(fā)現(xiàn)其反向漏電流大小與器件尺寸之間無明顯線性關(guān)系,證明利用堿性溶液可以有效去除側(cè)壁刻蝕損傷,消除器件表面漏電。4.面向SBD器件的Ni/Au與GaN的肖特基接觸工藝優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn):Ni/Au與輕摻雜n--GaN形成的肖特基接觸,在350～650 ℃ N2氣氛中退火5 min,其肖特基勢壘高度隨退火溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,理想因子基本保持在1.1左右,且在550℃條件下退火,肖特基勢壘高度最高(～1.1 eV,與理想情況接近),反向漏電流最低。5.基于上述研究工作,我們成功制備硅基GaN垂直結(jié)構(gòu)PiN和SBD功率二極管器件。對于PiN器件,其漂移區(qū)厚度為2.5 μm,正向?qū)娮杩傻椭?.6 mΩ·cm2,無任何終端結(jié)構(gòu)情況下,器件反向擊穿電壓～370V,對該器件的研究,可為后續(xù)進一步制備,理解結(jié)勢壘肖特基功率二極管的特性打基礎(chǔ)。對于SBD器件,其GaN漂移區(qū)厚度為3 μm,載流子濃度～8.5×1015 cm-3,器件的正向?qū)娮鑂on約為1.12 mΩ·cm2,理想因子～1.07,肖特基勢壘高度～1.02 eV。在無任何終端結(jié)構(gòu)情況下,SBD器件的反向擊穿電壓可達395 V,BFOM=139 MW/cm2,此器件性能與無終端結(jié)構(gòu)的GaN自支撐襯底上的SBD器件結(jié)果相當,器件性能在存在終端結(jié)構(gòu)情況下可進一步提升。同時,本文對以上兩種器件的反向漏電機理進行深入分析。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN313.4
【圖文】：

第一章緒邋論逡逑人類社會的發(fā)展離不開能源。電能作為一種經(jīng)濟且容易控制、轉(zhuǎn)換的能源形逡逑態(tài)，存在于現(xiàn)代人類生活的方方面面。電能從產(chǎn)生到使用存在一個復雜的傳輸過逡逑程，需經(jīng)歷一系列ＡＣ／ＤＣ轉(zhuǎn)換。在這些轉(zhuǎn)換過程中不可避免地會出現(xiàn)能量損耗逡逑【｜１。因此，作為電力控制和電能轉(zhuǎn)換的核心器件一半導體功率器件，人們對其要逡逑求是：減少轉(zhuǎn)換損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。逡逑對于理想的功率^u關(guān)器件，它需具有在零功耗下控制功率流向負載的能力，逡逑即在正向?qū)Ｊ较�，可實現(xiàn)零導通壓降；在阻斷模式下，可實現(xiàn)在零漏電流情逡逑況下，保持任何電壓值；同時，能夠在任何頻率下進行開關(guān)操作。而對于實際功逡逑率開關(guān)器件，它在正向?qū)〞r，存在電壓降；阻斷時，存在漏電流［２］。因此，對逡逑于實際功率開關(guān)器件，對其要求是具有低通態(tài)電阻（Ｕ、高擊穿電壓（ＶＢ）和逡逑快速開關(guān)能力，以提供高功率、低損耗的轉(zhuǎn)換。功率二極管作為功率開關(guān)中最基逡逑本的器件，是功率轉(zhuǎn)換電路中必不可少的部分。圖１．１所示，分別為理想和實際逡逑情況下，功率二極管的正反向特性曲線。逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑

圖１．２邋ＧａＮ基橫向和垂直結(jié)構(gòu)功率二極管示意圖逡逑１．３邋ＧａＮ垂直二

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本文編號：2726309