【摘要】：氮化鎵材料作為第三代半導(dǎo)體材料,具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率以及高電子遷移率等特點,廣泛應(yīng)用于高溫、高頻和大功率等領(lǐng)域。其中,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN的HEMT器件在微波大功率應(yīng)用方面以及高溫領(lǐng)域應(yīng)用方面均具有非常明顯的優(yōu)勢。目前國內(nèi)外對AlGaN/GaN HEMT器件在高溫大功率領(lǐng)域的應(yīng)用進行了深入的研究,但是器件的熱可靠性問題尚未解決。當器件溫度上升時,器件特性(如漏電流,增益,輸出功率和設(shè)備壽命等)會發(fā)生退化,嚴重甚至發(fā)生失效。為了解決此問題,前人提出多種散熱方式來改善器件高溫穩(wěn)定性。而金剛石材料得益于其高熱導(dǎo)率、高電阻率以及高硬度的特性,被用來作為AlGaN/GaN HEMT器件有效散熱的方式之一。在此背景下,本論文對AlGaN/GaN HEMT器件的溫度特性進行較為深入的研究。希望通過該研究,改善GaN基HEMT器件的工作溫度,提高器件在高壓大功率條件下的性能。本論文選取了三種GaN基HEMT器件結(jié)構(gòu),分別為常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件結(jié)構(gòu),AlGaN/GaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)以及AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)。首先,為驗證溫度對器件溫度特性的影響,獲得溫度從室溫上升到500K時,器件的輸出特性和C-V特性曲線的變化。結(jié)果表明,隨著溫度從室溫上升到500K,常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件的飽和漏電流從0.94A/mm下降到0.70A/mm,下降了25.5%;AlGaN/GaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)和AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件結(jié)構(gòu)的飽和漏電流分別從0.86A/mm和0.76A/mm下降到0.68A/mm和0.61A/mm,分別下降了20.9%和19.7%。該結(jié)果表明,溫度的升高會導(dǎo)致GaN基HEMT器件特性發(fā)生明顯退化。其次,研究了金剛石層對器件溝道溫度的影響。為驗證金剛石散熱層對GaN基HEMT器件的工作溫度的影響,系統(tǒng)地研究金剛石散熱層對AlGaN/GaN HEMT器件溫度分布的影響。通過對器件溫度的仿真研究,得到器件的熱分布圖以及溝道內(nèi)溫度分布曲線。在V_(DS)=20V時,金剛石散熱層使器件溝道峰值溫度從523K下降到488K,下降35K。結(jié)果表明,添加金剛石散熱層能有效降低AlGaN/GaN HEMT器件溝道峰值溫度。而通過比較不同偏置電壓下有無金剛石散熱層的AlGaN/GaN HEMT器件的熱分布圖以及溝道內(nèi)溫度分布曲線,得到金剛石材料對于AlGaN/GaN HEMT器件溫度分布的影響,以及不同偏置電壓下影響程度的變化。當V_(DS)=5V時,器件溫度僅下降4K;當V_(DS)=30V時,器件溫度下降52K。結(jié)果表明,漏電壓越大,金剛石散熱層散熱效果越明顯,這說明金剛石散熱層更適合工作在高壓下的器件。另外,通過比較不同厚度的金剛石散熱層的AlGaN/GaN HEMT器件的熱分布圖以及溝道內(nèi)溫度分布曲線,得到金剛石材料厚度對AlGaN/GaN HEMT器件的溫度分布的影響。結(jié)果表明,隨著金剛石散熱層厚度的增加,其散熱效果增大,但并不是線性增加,當厚度t_(diamond)8μm時,溫度下降程度趨于平緩。再次,從直流特性、交流特性的角度出發(fā),通過Sentaurus TCAD軟件仿真研究金剛石散熱層對AlGaN/GaN HEMT器件溫度特性的影響。通過軟件對AlGaN/GaN HEMT器件直流特性的仿真研究,得到添加金剛石散熱層使得AlGaN/GaN HEMT器件的飽和漏電流增大,柵泄漏電流降低。常規(guī)AlGaN/GaN HEMT器件、AlGaN/GaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件以及AlGaN/GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)HEMT器件的飽和漏電流分別提高了18.1%、18.6%和19.7%。通過對AlGaN/GaN HEMT器件交流特性的仿真,添加金剛石散熱層使得AlGaN/GaN HEMT器件的峰值跨導(dǎo)、截止頻率和最大振蕩頻率增大。最后,根據(jù)以上分析研究,獲得了全面的金剛石散熱層對AlGaN/GaN HEMT器件溫度特性的影響。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN386
【圖文】：

圖 2. 1 GaN 的纖鋅礦結(jié)構(gòu)示意圖[22]的不同，導(dǎo)致了兩種結(jié)構(gòu)的 GaN 的材料特性的對比如表 2.1 所示[53]。另外，生長條件對 GaN 材尚未成熟的時候，因為無法生長出性質(zhì)優(yōu)良的嚴重的制約。經(jīng)過近幾年的研究人員的努力，目用分子束外延（MBE）或金屬有機化合物化學(xué)氣 SiC 襯底上制備。

圖 2. 2 AlxGa1-xN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖[22]aN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化分為兩種：自發(fā)極化和壓電極化。壓電極響，導(dǎo)致晶格內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生的極是指由晶格不對稱引起的極化現(xiàn)象，該極化并非由外電異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生的極化電荷由兩種極化效應(yīng)共同構(gòu)成，其界面2-3 所示[55]。δ()=()+()-()1-1-xPAlGaNPAlGaNPGaNPExxSPxxSPE為壓電極化強度系數(shù)，其表達式為：( )PEzxyP =eε+eε+ε3331e33和 e31是壓電極化系數(shù)，ε是應(yīng)變分量，εz、εx、和εy分別為沿內(nèi)的應(yīng)變分量。

aN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化分為兩種：自發(fā)極化和壓電極化。壓電極響，導(dǎo)致晶格內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移，從而產(chǎn)生的極是指由晶格不對稱引起的極化現(xiàn)象，該極化并非由外電異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生的極化電荷由兩種極化效應(yīng)共同構(gòu)成，其界面2-3 所示[55]。δ()=()+()-()1-1-xPAlGaNPAlGaNPGaNPExxSPxxSPE為壓電極化強度系數(shù)，其表達式為：( )PEzxyP =eε+eε+ε3331e33和 e31是壓電極化系數(shù)，ε是應(yīng)變分量，εz、εx、和εy分別為沿內(nèi)的應(yīng)變分量。

【參考文獻】

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本文編號：2747314