新型AlGaN基電力電子器件研究.pdf

1、自GaN（氮化鎵）高亮度藍光LED的發明獲得2014年諾貝爾物理學獎后，新型化合物半導體GaN逐漸被大眾所熟知?；贕aN的大功率電子器件以其高擊穿特性、高電流密度、高開關速度、低開態電阻和高熱穩定性等優勢引起了學術界和工業界的極大興趣。據統計，全球每年大約有10％的電能被浪費在電能轉換過程中，這相當于全球每年獲取的風能、太陽能和水能等所有清潔能源的總和。隨著全球能源危機的加劇，人類迫切需要更為高效的電力轉換系統，而大功率器件恰好是電能

2、轉換的核心技術。搭載GaN基功率器件的設備不僅可以節省用電，還可以簡化笨重的散熱裝置，這對家用電器小型化以及大幅提升部分軍用武器性能具有重要意義。
　　本文就是在此背景下開展研究，采用擊穿場強更高的AlGaN代替常用的GaN作為緩沖層，通過優化HEMTs（高電子遷移率晶體管）器件的緩沖層結構、溝道層材料以及器件結構，獲得了兼具高擊穿電壓與低開態電阻的多種新型AlGaN基電力電子器件。取得的研究結果如下：
　　1.采用AlxG

3、a1-xN漸變緩沖層，實現了性能出色的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N雙異質結構材料與器件。該雙異質結構材料的RMS（表面粗糙度）只有0.16nm，（10-12）面XRD搖擺曲線半高寬只有540arcsec，室溫電子遷移率高達1744cm2/V·s，2DEG面密度高達1.09×1013cm-2。器件測試結果表明，雙異質結HEMTs的電學特性全面超越常規單異質結HEMTs，包括飽和漏電流從990mA/mm提高

4、到1014mA/mm，峰值跨導從182mS/mm提高到194mS/mm，亞閾值擺幅從113mV/dec下降到78mV/dec，開關比從105.3提高到106.2，漏致勢壘降低系數從24mV/V降到14mV/V，肖特基漏電流大約降低了75％，擊穿電壓從59V提高到109V。
　　2.比較研究了AlGaN緩沖層厚度與GaN溝道層厚度對GaN雙異質結器件性能的影響。研究發現，具有1400nm AlxGa1-xN漸變緩沖層和70nm Ga

5、N溝道層的材料樣品質量遠高于具有800nm AlxGa1-xN漸變緩沖層12nm GaN溝道層的樣品，包括RMS從0.22nm降低到0.17nm，刃位錯面密度從2.4×109cm-2降低到1.3×109cm-2，載流子遷移率從1535cm2/V·s提高到1602cm2/V·s，載流子面密度從0.87×1013cm-2提高到1.15×1013cm-2，飽和漏電流從757mA/mm提高到1050mA/mm，開態電阻從5.3Ω·mm降低到3.

6、6Ω·mm，臺面漏電降低了兩個數量級，擊穿電壓從72V提高到108V。值得注意的是，1050mA/mm是所有已經報道的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N結構雙異質結HEMTs所達到的最高水平。
　　3.采用AlGaN/GaN復合緩沖層，實現了高性能的Al0.40Ga0.60N/Al0.18Ga0.820N異質結材料和HEMT器件。與單純AlGaN緩沖層相比，AlGaN/GaN復合緩沖層能夠有效提升外延材

7、料質量，降低異質結的表面粗糙度，提高異質結中2DEG的面密度和遷移率，降低異質結的方塊電阻。HEMT器件的性能也得到了大幅提升，包括飽和電流提高了148％，峰值跨導提高了74％，開態電阻從31.2Ω·mm降低到了8.1Ω·mm。
　　4.在國際上首次展示了AlGaN溝道MIS-HEMTs，并比較了柵漏間距對器件擊穿場強和擊穿電壓的影響。采用SiNx柵介質可以有效的降低器件的柵漏電，使得器件在柵漏間距為2μm時，器件的擊穿電壓為35

8、9V，平均擊穿電場高達1.8MV/cm。擊穿電壓并不隨著柵漏間距線性增加，擊穿電場隨著柵漏間距的增加而逐漸下降。當柵漏間距達到20μm時，器件的擊穿電壓達到1661V，平均擊穿電場下降到0.83MV/cm，這是由于柵漏間距過大時負柵壓難以有效耗盡靠近漏端的溝道中的載流子。柵介質的引入、勢壘層、溝道層和緩沖層的材料禁帶寬度較大是導致AlGaN溝道MIS-HEMTs擁有卓越的擊穿特性的關鍵因素。
　　5.研究了AlGaN溝道MIS-H

9、EMTs器件的變溫特性，發現該器件具有卓越的高溫穩定性。當測試溫度從25℃升高到275℃時，AlGaN溝道MIS-HEMTs的飽和電流從211mA/mm下降到169mA/mm（VGS=4 V），降幅只有20％，而器件的靜態開態電阻也僅僅升高了24％。AlGaN溝道MIS-HEMTs高溫穩定性主要得益于其載流子遷移率在高溫環境下能夠保持穩定。AlGaN溝道HEMTs的優異的高溫穩定性非常適合工作環境惡劣的應用領域，比如航天器，航空發動機和