氮化鎵基半導體電力電子器件擊穿機理研究.pdf

1、氮化鎵基電力電子器件在電力電子領域具有很大的應用潛力，其擊穿電壓的相關研究至關重要。目前 GaN基電力電子器件的擊穿電壓距離其理論極限還有很大的距離，這就意味著其擊穿特性還有很大的提升空間。為了充分提高 GaN基電力電子器件的擊穿特性，就需要對其擊穿機理進行研究。本論文就是在此背景下對 GaN基電力電子器件的擊穿機理展開了廣泛而深入的研究。
　　本文的第二章對GaN基HEMT在工藝和仿真中存在的問題和需要注意的細節進行了討論，然后

2、討論了測試中最大輸出電流IDmax，閾值電壓Vth，柵漏電Igleak，擊穿電壓VBR和特征導通電阻RON五個基本參數的判定標準。最后總結了三種擊穿機制：局部高電場導致的雪崩擊穿、泄漏電流與溫度導致的熱失控和柵漏間的空氣擊穿。這些基礎問題的討論，可以使得GaN基電力電子器件擊穿機理的研究更加順利。
　　在第三章中，給出了與肖特基漏 HEMT擊穿特性相關的三個方面研究內容。首先，采用肖特基漏結構同時提高了AlGaN/GaN HEMT

3、的正偏和反偏阻斷電壓，并且對兩種阻斷電壓提高的機理進行了研究。通過采用肖特基漏，正偏和反偏阻斷電壓分別從72 V和-5 V提高到了149 V和-49 V，即肖特基漏可以同時提高這兩個擊穿電壓。為了研究提高擊穿電壓的物理機理，對泄漏電流分量進行了分析，并用仿真進行了解釋說明。其次，提出肖特基漏與漏場板相結合，可以提高反偏阻斷電壓的思想。漏場板可以緩解漏電極附近的電場峰值，通過采用漏場板反偏阻斷電壓從-67 V提高到-653 V。仿真結果表

4、明，肖特基漏與漏場板相結合可以有效地提高器件的反偏阻斷能力。最后，研究了漏場板對正偏阻斷電壓產生的影響。為了防止漏場板對正偏阻斷電壓產生負面影響，柵邊緣和漏場板邊緣的間距必須要大于某個特定值，該值要保證漏場板不會擠壓正漏壓產生的電勢。
　　作者在第四章中提出了一組耗盡電容模型，來解釋AlGaN/GaN HEMT中高k鈍化層提高擊穿電壓的機理。對于帶有鈍化層的HEMT，柵金屬的側壁和頂端會與GaN基異質結材料形成金屬/絕緣體/半導體

5、結構(MIS結構)，這是高 k鈍化層調制電場的真正原因?；谔岢龅暮谋M電容模型，第一次發現柵金屬高度和場板厚度可以影響電場分布和擊穿電壓。較厚的柵金屬可以提高器件的擊穿電壓，較厚的場板可以緩解場板處的電場峰值，也可以進一步改善器件的擊穿特性。此外，結合提出的耗盡電容模型和高k鈍化層強大的電場調制能力，作者設計了高特性AlGaN/GaN HEMT器件。設計的柵漏間距為7μm的HEMT，擊穿電壓為1310 V，功率品質因數高達3.67×10

6、9 V2·?-1·cm-2，這一數值是所有GaN基HEMT的最高值。
　　本文實現了三種高性能GaN基電力電子器件，即高壓AlGaN溝道HEMT器件、增強型InAlN/GaN MISHEMT器件和高壓環形AlGaN/GaN HEMT器件。對于柵漏間距為3μm的AlGaN溝道HEMT，擊穿電壓從144 V提高到了320 V。此外，國際上首次通過采用變頻CV的方法對AlGaN溝道HEMT的陷阱態進行了表征，研究發現AlGaN溝道HEM

7、T中的陷阱比GaN溝道HEMT要深大約0.04 eV。采用柵介質與條件合理的F處理相結合的方法，同時提高了InAlN/GaN HEMT的閾值電壓和擊穿電壓。通過F處理，閾值電壓從-7.6 V正漂到了1.8 V。帶負電荷的F離子調制導帶，有效地降低了柵漏電和緩沖層漏電。柵漏間距為3μm，降低的緩沖層漏電將器件的擊穿電壓從80 V提高到了183 V。實驗表明，柵介質與條件合理的F處理相結合可以同時提高閾值電壓和擊穿電壓，是實現高壓增強型In

8、AlN/GaN HEMT的有效方法。柵漏間距為18.8μm的環形AlGaN/GaN HEMT，其擊穿電壓高達1812V。相對于常規長條形HEMT，通過采用環形結構，柵漏間平均擊穿電場強度從0.42 MV/cm增加到了0.96 MV/cm。常規的場板是在二維空間對電場強度進行調制，從而提高擊穿電壓。作者制造的環形器件則是從第三個維度對電場強度進行了調制，使得器件的擊穿特性有了很大的提升。這部分內容在第五章中重點介紹。
　　在第六章中

9、指出了常規三端擊穿表征方法的局限性，并針對其在應用中出現的問題提出了一種改進的方法。對于常規擊穿，作者總結了七種擊穿曲線，但是發現常規擊穿表征方法只能適用于其中的兩種。對于其他的五種擊穿曲線，一定漏壓范圍內，柵漏電的數值比漏電流的數值要大。此外，源電流也不能用來表征緩沖層漏電，它們的數值和符號是不一致的。出現這些問題的原因，是常規擊穿表征方法在表征擊穿特性時將柵源電流忽略掉了。這些問題表明，為了能夠準確地表征器件的擊穿機理，常規表征方法