新型AlGaN基電力電子器件研究.pdf

1、自GaN（氮化鎵）高亮度藍(lán)光LED的發(fā)明獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎后，新型化合物半導(dǎo)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(guān)速度、低開態(tài)電阻和高熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年大約有10％的電能被浪費(fèi)在電能轉(zhuǎn)換過程中，這相當(dāng)于全球每年獲取的風(fēng)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(jī)的加劇，人類迫切需要更為高效的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而大功率器件恰好是電能

2、轉(zhuǎn)換的核心技術(shù)。搭載GaN基功率器件的設(shè)備不僅可以節(jié)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(qiáng)更高的AlGaN代替常用的GaN作為緩沖層，通過優(yōu)化HEMTs（高電子遷移率晶體管）器件的緩沖層結(jié)構(gòu)、溝道層材料以及器件結(jié)構(gòu)，獲得了兼具高擊穿電壓與低開態(tài)電阻的多種新型AlGaN基電力電子器件。取得的研究結(jié)果如下：
　　1.采用AlxG

3、a1-xN漸變緩沖層，實(shí)現(xiàn)了性能出色的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料與器件。該雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dá)1744cm2/V·s，2DEG面密度高達(dá)1.09×1013cm-2。器件測試結(jié)果表明，雙異質(zhì)結(jié)HEMTs的電學(xué)特性全面超越常規(guī)單異質(zhì)結(jié)HEMTs，包括飽和漏電流從990mA/mm提高

4、到1014mA/mm，峰值跨導(dǎo)從182mS/mm提高到194mS/mm，亞閾值擺幅從113mV/dec下降到78mV/dec，開關(guān)比從105.3提高到106.2，漏致勢壘降低系數(shù)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(zhì)結(jié)器件性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，具有1400nm AlxGa1-xN漸變緩沖層和70nm Ga

5、N溝道層的材料樣品質(zhì)量遠(yuǎn)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(cuò)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(tài)電阻從5.3Ω·mm降低到3.

6、6Ω·mm，臺面漏電降低了兩個(gè)數(shù)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(jīng)報(bào)道的Al0.30Ga0.70N/GaN/Al0.07Ga0.93N結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)HEMTs所達(dá)到的最高水平。
　　3.采用AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層，實(shí)現(xiàn)了高性能的Al0.40Ga0.60N/Al0.18Ga0.820N異質(zhì)結(jié)材料和HEMT器件。與單純AlGaN緩沖層相比，AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層能夠有效提升外延材

7、料質(zhì)量，降低異質(zhì)結(jié)的表面粗糙度，提高異質(zhì)結(jié)中2DEG的面密度和遷移率，降低異質(zhì)結(jié)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(dǎo)提高了74％，開態(tài)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(qiáng)和擊穿電壓的影響。采用SiNx柵介質(zhì)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(shí)，器件的擊穿電壓為35

8、9V，平均擊穿電場高達(dá)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(dāng)柵漏間距達(dá)到20μm時(shí)，器件的擊穿電壓達(dá)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(shí)負(fù)柵壓難以有效耗盡靠近漏端的溝道中的載流子。柵介質(zhì)的引入、勢壘層、溝道層和緩沖層的材料禁帶寬度較大是導(dǎo)致AlGaN溝道MIS-HEMTs擁有卓越的擊穿特性的關(guān)鍵因素。
　　5.研究了AlGaN溝道MIS-H

9、EMTs器件的變溫特性，發(fā)現(xiàn)該器件具有卓越的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)測試溫度從25℃升高到275℃時(shí)，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(tài)開態(tài)電阻也僅僅升高了24％。AlGaN溝道MIS-HEMTs高溫穩(wěn)定性主要得益于其載流子遷移率在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定。AlGaN溝道HEMTs的優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性非常適合工作環(huán)境惡劣的應(yīng)用領(lǐng)域，比如航天器，航空發(fā)動機(jī)和