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GaN横向二极管新结构及其电流调控机理研究

GaN横向二极管新结构及其电流调控机理研究

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作者：董长旭电子科技大学

学位级别：硕士

作为第三代半导体器件,AlGaN/GaN异质结器件以其高击穿场强、高电子饱和速度以及高二维电子气(2DEG)密度而引起人们的广泛兴趣。相比于传统的Si基器件,AlGaN/GaN器件在功率密度、开关速度、工作温度以及封装尺寸等方面具有明显的优势。... 详细信息

作为第三代半导体器件,AlGaN/GaN异质结器件以其高击穿场强、高电子饱和速度以及高二维电子气(2DEG)密度而引起人们的广泛兴趣。相比于传统的Si基器件,AlGaN/GaN器件在功率密度、开关速度、工作温度以及封装尺寸等方面具有明显的优势。其中AlGaN/GaN横向二极管是目前GaN功率开关器件的研究热点,仿真则是研究器件物理特性的重要工具。本文以仿真的形式分别从阳极结构和阴极结构两方面对AlGaN/GaN横向二极管提出创新,提出了混合阳极AlGaN/GaN恒流二极管结构和三维鳍栅型混合阳极薄势垒AlGaN/GaN二极管结构,不仅优化了AlGaN/GaN横向二极管的开启电压和击穿电压等传统性能,还拓宽了其应用范围,本文主要内容如下:(1)首先介绍了TCAD仿真软件和仿真所用的基本理论,对凹槽栅型的AlGaN/GaN横向二极管进行建模,明确物理模型及结构参数,将仿真结果与实际实验结果相对比,验证仿真方案的正确性和可行性。(2)改变凹槽栅型AlGaN/GaN横向二极管的阴极结构,使其具有恒流作用。随后分别从混合阳极对器件导通特性的控制和阴极场板带来的恒流功能两方面阐述了器件的工作原理与应用价值。通过对阴极场板结构的分析和改进,提出一种阶梯型的阴极场板,最终可实现4 V的饱和电压,0.57 A/mm的饱和电流和3.7%的稳定系数。最后给出了AlGaN/GaN恒流二极管的工艺实现过程,为流片实验做好准备。(3)考虑到薄势垒技术对栅下势垒层厚度的灵活控制和其工艺的简便,利用薄势垒技术提出了一种平面型的薄势垒结构的AlGaN/GaN混合阳极二极管,并通过三维仿真的方法对其进行仿真,通过对薄势垒厚度的改变,研究其工作原理,并论证仿真方案的正确性,为后续新结构的仿真提供参考模型和对比对象。(4)将鳍栅结构和薄势垒结构结合,提出一种新型的三维鳍栅型混合阳极薄势垒AlGaN/GaN二极管,重点研究了鳍栅对二维电子气和侧壁导电通道的控制,改变鳍栅的宽度与刻蚀深度,观察其对器件正反向电压电流特性的影响,并研究其机理。最终仿真的鳍栅结构器件的开启电压为0.48 V,与平面结构器件的开启电压相当,但导通电阻更小,反向漏电流比平面结构器件小两个数量级,击穿电压为725V。

关键词： AlGaN/GaN 恒流二极管三维鳍栅薄势垒饱和电压击穿电压

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基于能带调控新型AlGaN/GaN功率二极管

基于能带调控新型AlGaN/GaN功率二极管

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作者：杨秀电子科技大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体,具有一系列对电力电子器件发展非常有利的特点。与Si器件相比,GaN器件的击穿电场、电子迁移率更高以及开关速度更快,更加适合应用于高频、大功率、高压的电力电子系统,所以GaN器件及制备技术在功率... 详细信息

氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体,具有一系列对电力电子器件发展非常有利的特点。与Si器件相比,GaN器件的击穿电场、电子迁移率更高以及开关速度更快,更加适合应用于高频、大功率、高压的电力电子系统,所以GaN器件及制备技术在功率器件应用领域受到了广泛的关注并得到快速的发展。而功率二极管作为电力电子系统中基础器件之一,在功率应用领域占有非常重要的地位。由于AlGaN/GaN异质结构中压电极化和自发极化效应能够产生高浓度和高电子迁移率的二维电子气(2DEG),使得GaN基肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)近年来受到越来越多的关注。本文从结构优化和工艺制备两个方面创新,提出了基于超薄势垒AlGaN/GaN异质结的混合阳极功率二极管。本文的主要内容如下:(1)首先提出了一种具有MIS栅控的超薄势垒AlGaN/GaN混合阳极功率二极管(MIS-Gate Hybrid Anode Diode,MG-HAD)新结构。该器件结构基于超薄势垒AlGaN/GaN异质结,其2DEG沟道具有天然耗尽的优势,并通过在势垒层表面淀积LPCVD-SiN钝化层来调控表面能带,实现二维电子气的恢复。该MG-HAD的开启电压主要决定于沟道2DEG的本征阈值电压,可以通过改变势垒层的厚度灵活精确地调控。(2)通过对提出的新结构MG-HAD关键工艺优化研究,最终实现了当MG-HAD势垒层厚度为4.9 nm时开启电压为0.31 V,且均匀性良好。此外,得益于MIS栅控混合阳极结构,MG-HAD具有良好的反向阻断热稳定性。器件在-300 V,200℃的高温高压条件下,反向漏电流小于1μA/mm,比参考器件低100倍以上,且通过与近几年已发表的横向AlGaN/GaN功率二极管对比,达到了此条件下国际上的领先水平。通过原位SiN钝化层、AlO栅极介质以及远程等离子体预处理(Remote Plasma Pretreatment,RPP)的结合,获得了高质量的原位SiN/AlGaN界面,明显改善了器件的动态特性,实现了当反向偏置为-175 V,脉冲宽度为1000ms时,MG-HAD的正向电流衰减仅为20%,动态R仅增加25%。(3)同时在二维平面结构MG-HAD的基础上将鳍栅(Fin)结构和薄势垒结构(Utral-thin Barrier,UTB)相结合,提出一种新型的三维鳍栅超薄势垒AlGaN/GaN混合阳极二极管(Utral-thin Barrier Hybrid Anode Diode,UTB-HAD)。其具有侧壁导电和侧壁2DEG调控的优势能够实现更好的正向导通和反向阻断特性。从三维鳍栅UTB-HAD制备工艺出发,对电子束光刻和三维Fin刻蚀等关键工艺进行了比较深入的研究。

关键词： AlGaN/GaN 超薄势垒功率二极管三维鳍栅

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