發(fā)布時間：2021-09-28 05:33

　　硅基氮化鎵（GaN-on-Si）功率器件具有擊穿電壓高、工作溫度高和工作頻率高等優(yōu)異性能,是電力電子領域極為理想的半導體器件,現(xiàn)已成為國際半導體領域的研究熱點之一。因增強型功率器件具有安全性高及驅(qū)動簡單等優(yōu)點,如何制備出高性能的GaN-on-Si增強型功率器件是學者們關注的重點。為降低功率器件的設計周期和成本,往往需要器件理論模型來指導器件的設計,而目前對GaN-on-Si增強型功率器件相關物理模型的研究較少。同時,功率器件從產(chǎn)品到應用需要解決其可靠性相關的問題,關于GaN-on-Si增強型功率器件長期可靠性方面的問題還需進行全方面地研究。此外,一些應用領域不僅要求功率器件具有較好的正向阻斷能力,還要求其具有反向阻斷能力。本文針對GaN-on-Si功率半導體技術在發(fā)展中所面臨的一些問題,開展了GaN-on-Si增強型功率器件的理論模型、新結構、關鍵工藝及長期可靠性的研究。主要創(chuàng)新如下:（1）建立了GaN-on-Si增強型功率器件場控能帶模型。研究了GaN-on-Si增強型功率器件的場控能帶機理,分析了器件結構、材料結構、陷阱電荷及外加電場對能帶結構和二維電子氣（Two-Dimensio... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：118 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

纖鋅礦結構的GaN晶格示意圖[3,43]。

不同晶向(N面(N-face)和Ga面(Ga-face))的纖鋅礦結構的GaN晶格示意圖如圖2-1(a)和圖2-1(b)所示。N面和Ga面的Ga N材料的自發(fā)極化電場矢量方向也正好相反�，F(xiàn)在用于制備GaN功率器件的GaN材料是Ga面的,即Ga原子在上表面,N原子在下表面,自發(fā)極化電場的方向是。為平衡自發(fā)極化電場,GaN材料表面會束縛電荷,不同的極性面的GaN材料會束縛不同類型的電荷,如圖2-2(a)和2-2(b)所示[45-46](圖中箭頭為自發(fā)極化電場方向)。其中,N面的GaN材料極化電場(Psp)的方向是從下到上(由N原子指向Ga原子)。為抵消這個極化電場,會在GaN材料上表面束縛正電荷,在材料的下表面束縛負電荷,所束縛的電荷形成的電場由上表面指向下表面[45-46]。Ga面的GaN材料極化電場的方向是從上到下(也是由N原子指向Ga原子)。為抵消這個極化電場,會在GaN材料的上表面束縛負電荷,在材料的下表面束縛正電荷。所束縛的電荷形成的電場由下表面指向上表面,與自發(fā)極化電場方向剛好相反。這種因材料晶格結構內(nèi)正負電荷中心不重合而出現(xiàn)的自發(fā)極化效應在III族氮化物半導體材料中是比較普遍的,如InN、AlGaN和AlN均存在較強的自發(fā)極化效應[45-46]。(2)壓電極化(電場)效應(Piezoelectric polarization,pz)

因為AlGaN材料的晶格常數(shù)小于GaN材料的晶格常數(shù),當在Ga N襯底上外延生長一層AlGaN材料形成AlGaN/GaN異質(zhì)結時,外延生長的AlGaN材料會被拉伸,即在AlGaN材料中存在張應力。當襯底是N面GaN材料時,異質(zhì)結的壓電極化電場(Ppz)的方向是由下至上,如圖2-4(a)所示[45-46]。而N面GaN材料的自發(fā)極化電場方向也由下至上,所以N面AlGaN/GaN異質(zhì)結的自發(fā)極化電場的方向與壓電極化電場的方向是一致的,兩者極化呈現(xiàn)加強狀態(tài)。較強的極化電場會改變AlGaN/GaN異質(zhì)結的能帶結構。N面AlGaN/GaN異質(zhì)結中的極化電場會抬高異質(zhì)結界面處的能帶,進而迫使可動的電子向GaN材料體內(nèi)移動,在異質(zhì)結界面處留下不可動的空穴,來補償該異質(zhì)結的極化電場。當N面AlGaN/GaN異質(zhì)結的極化電場足夠強時,AlGaN/GaN異質(zhì)結界面處的GaN價帶會被抬高到費米能級以上。此時,在N面AlGaN/GaN異質(zhì)結的界面處會形成一個空穴勢阱,并在異質(zhì)結界面處形成大量的2DHG。當襯底材料是Ga面Ga N材料時,異質(zhì)結界面處的壓電極化電場的方向是由上至下,如圖2-4(b)所示。而Ga面GaN材料的自發(fā)極化電場方向也是由上至下,所以Ga面AlGaN/GaN異質(zhì)結的自發(fā)極化電場的方向與壓電極化電場的方向也是一致的,兩者極化呈現(xiàn)加強狀態(tài)。Ga面AlGaN/GaN異質(zhì)結中的極化電場會拉低異質(zhì)結界面處的能帶,進而迫使可動的電子向異質(zhì)結界面處移動,來補償該異質(zhì)結的極化電場。當Ga面AlGaN/GaN異質(zhì)結的極化電場足夠強時,AlGaN/GaN異質(zhì)結界面處的GaN導帶會被拉低到費米能級以下。此時,在Ga面AlGaN/GaN異質(zhì)結的界面處會形成一個電子勢阱,并在異質(zhì)結界面處形成大量的2DEG,如圖2-5所示。圖2-5 Ga面AlGaN/GaN異質(zhì)結界面。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]節(jié)能減排的基礎技術-功率半導體芯片[J]. 張波.  中國集成電路. 2009(12)
[2]The mobility of two-dimensional electron gas in AlGaN/GaN heterostructures with varied Al content[J]. ZHANG JinFeng, HAO Yue, ZHANG JinCheng & NI JinYu Key Laboratory of the Ministry of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices, School of Microelectronics, Xidian University, Xi’an 710071, China.  Science in China（Series F:Information Sciences）. 2008(06)



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