由于氮化鎵(GaN)具有寬禁帶寬度、大擊穿電場(chǎng)、高電子遷移率、強(qiáng)抗輻照能力等優(yōu)異的材料性能,非常適合制備在極端條件下工作的高頻、高壓、高功率電力電子器件,如AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管(HEMT),在新能源汽車(chē)、5G通訊、激光雷達(dá)等行業(yè)具有重要的應(yīng)用前景。然而,GaN基HEMT器件卻面臨嚴(yán)重的電學(xué)可靠性問(wèn)題,如:高溫退化效應(yīng)、柵漏延遲效應(yīng)、kink效應(yīng)、動(dòng)態(tài)電阻增大效應(yīng)等,不利于其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。在此背景下,深入分析相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵可靠性問(wèn)題,揭示問(wèn)題背后具體的物理機(jī)制,具有非常重要的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。本文首先回顧了GaN基HEMT的研究現(xiàn)狀,指出了存在的電學(xué)可靠性問(wèn)題,然后介紹了GaN材料的基本性質(zhì),詳細(xì)描述了器件的結(jié)構(gòu)與工作原理,最后總結(jié)了表征器件性能的重要參數(shù)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1、AlGaN/GaN HEMT的變溫電學(xué)特性研究。研究表明,隨溫度的升高,器件退化的主導(dǎo)因素并非二維電子氣隨溫度減少,而是方塊電阻隨溫度的增加。而方塊電阻由器件的2DEG濃度與遷移率決定,因此對(duì)器件的2DEG的遷移率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提取與理論計(jì)算,通過(guò)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)極性光學(xué)聲子散射限制的遷移率隨溫度升高而呈指數(shù)下降,是高溫下方塊電阻增大與器件退化的主要原因。2、AlGaN/GaN HEMT的kink效應(yīng)研究。通過(guò)漏極應(yīng)力偏置實(shí)驗(yàn),觀察到在不同漏極偏置下,兩次掃描kink程度表現(xiàn)出顯著差異;通過(guò)柵極應(yīng)力偏置實(shí)驗(yàn),觀察到開(kāi)態(tài)下,kink程度緩解,半開(kāi)態(tài)下,kink程度增加,閉態(tài)下,kink程度不變現(xiàn)象。反向柵極電流導(dǎo)致的kink效應(yīng)并不顯著。結(jié)合半導(dǎo)體物理理論提出物理模型:kink效應(yīng)由GaN緩沖層內(nèi)類施主型深能級(jí)缺陷態(tài)對(duì)電子的捕獲和熱電子輔助被捕獲電子去捕獲行為所導(dǎo)致。3、晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMT動(dòng)態(tài)電阻特性研究。搭建了硬轉(zhuǎn)換模型與軟轉(zhuǎn)換模型測(cè)試系統(tǒng),研究了晶格匹配In_(0.17)Al_(0.83)N/GaN HEMT器件在不同轉(zhuǎn)換模型下的動(dòng)態(tài)電阻特性。結(jié)果表明,在硬轉(zhuǎn)換模型下動(dòng)態(tài)電阻的增大源于表面態(tài)捕獲電子導(dǎo)致的虛柵效應(yīng),在關(guān)態(tài)下隨漏極偏置應(yīng)力的增加,動(dòng)態(tài)電阻表現(xiàn)出先降低再略有升高的行為,是源于緩沖層中電子的去捕獲與捕獲效應(yīng);在軟轉(zhuǎn)換模型下,驗(yàn)證了勢(shì)壘層中缺陷態(tài)為類施主型,且穩(wěn)定時(shí)間有助于動(dòng)態(tài)電阻恢復(fù)。
【學(xué)位單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN303
【部分圖文】：

江南大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 1-1(a)、(b)為 GaN 材料的兩種典型晶體結(jié)構(gòu)：六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)與立方閃鋅礦結(jié)7]。其中六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)由 Ga 原子與 N 原子各自組成六方排列的原子層按照(001)面的 ABABAB 方式堆積而成，具有強(qiáng)離子性，能在室溫與大氣壓環(huán)境下穩(wěn)定存在，力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；而閃鋅礦結(jié)構(gòu)為立方密堆積結(jié)構(gòu)，它由 Ga 原子與 N 原子組成面心晶格，通過(guò)平移空間對(duì)角線長(zhǎng)度的四方之一距離彼此套構(gòu)而成。每個(gè)原子連著其他不同的原子，因此，每個(gè)晶胞由四個(gè) Ga 原子與四個(gè) N 原子構(gòu)成，為熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)。其在室溫與大氣壓環(huán)境下不能穩(wěn)定存在，但可以在(001)晶面上生長(zhǎng)的薄膜上存在此，一般 GaN 材料的晶格結(jié)構(gòu)指的是纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，其面內(nèi)和軸向的晶格常數(shù)為 a=0.3189 nm，c=0.5185 nm[8]。

(a) (b)圖 1-1 GaN 材料的晶格結(jié)構(gòu)：(a)纖鋅礦和(b)閃鋅礦體的結(jié)構(gòu)決定了晶體的材料性質(zhì)，GaN 材料的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)決定了 Ga半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2 所示[9]。價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶中到價(jià)帶)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(復(fù)合)，無(wú)需聲子提供動(dòng)量，只吸收(釋放)能量

圖 1-3 GaN 基 HEMT 缺陷態(tài)位置示意圖外部測(cè)試環(huán)境導(dǎo)致的逆壓電效應(yīng)、熱電子效面臨重大挑戰(zhàn)。因此，在實(shí)際測(cè)試與應(yīng)用中如下：GaN 材料具有高擊穿電場(chǎng)，理論上可達(dá)到遠(yuǎn)小于理論值，說(shuō)明存在諸多非理想物理。為了提高器件的擊穿性能，需要詳細(xì)研究對(duì)于 GaN 基 HEMT 的過(guò)早擊穿行為進(jìn)行解邊緣碰撞電離機(jī)制和表面跳躍電流機(jī)制等[4釋，GaN 基 HEMT 器件的擊穿電壓可通過(guò)高。
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本文編號(hào)：2868070