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具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（英文）

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发光学报 2016年第6期37卷 720-724页

作者：赵勇兵张韵程哲黄宇亮张连刘志强伊晓燕王国宏李晋闽中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心半导体照明联合创新国家重点实验室北京市第三代半导体材料及应用技术工程中心中国科学院大学

介绍了一种具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管。采用原子层淀积（ALD）方法实现Al;O;栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅长（Lg）为2μm,栅宽（Wg）为0.9 mm（0.45 mm×... 详细信息

介绍了一种具有高阈值电压和大栅压摆幅的常关型槽栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管。采用原子层淀积（ALD）方法实现Al;O;栅介质的沉积。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅长（Lg）为2μm,栅宽（Wg）为0.9 mm（0.45 mm×2）,栅极和源极（Lgs）之间的距离为5μm,栅极和漏极（Lgd）之间的距离为10μm。在栅压为-20 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电仅为0.65 nA。在栅压为+12 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的栅漏电为225 nA。器件的栅压摆幅为-20;12V。在栅压V;=+10 V时,槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT电流和饱和电流密度分别达到了98 mA和108 mA/mm（Wg=0.9 mm）,特征导通电阻为4 mΩ·cm2。槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的阈值电压为+4.6 V,开启与关断电流比达到了5×108。当V;=7 V时,器件的峰值跨导为42 mS/mm(Wg=0.9 mm,V;=+10 V)。在V;=0 V时,栅漏间距为10μm的槽栅常关型AlGaN/GaN MOS-HEMT的关断击穿电压为450 V,关断泄露电流为0.025 mA/mm。

关键词： AlGaN/GaN 高阈值电压大栅压摆幅常关型特征导通电阻

常关型AlGaN/GaN HEMT器件研究

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常关型AlGaN/GaN HEMT器件研究

作者：涂琴杭州电子科技大学

学位级别：硕士

半导体技术近年来发展迅速,传统半导体材料的研究几乎已到达极限,第三代宽禁带半导体如Ga N,Al Ga N等开始展露锋芒。Ga N有着良好的物理化学以及电学性能,非常适合制作高频,高温或者大功率器件。其中,Al Ga N/Ga N HEMT表现最为优异,... 详细信息

半导体技术近年来发展迅速,传统半导体材料的研究几乎已到达极限,第三代宽禁带半导体如Ga N,Al Ga N等开始展露锋芒。Ga N有着良好的物理化学以及电学性能,非常适合制作高频,高温或者大功率器件。其中,Al Ga N/Ga N HEMT表现最为优异,而当前的研究成果主要集中在常开型器件方面。而在高速开关,射频集成电路,数字电路领域需要常关型HEMT器件,所以常关型Al Ga N/Ga N HEMT器件的研究有着十分现实的意义和价值。本文针对上述问题,通过查阅大量文献,简述了Ga N半导体材料的特点,介绍了器件的结构和工作原理,详述了HEMT器件的特性,以及目前国内外实现常关型器件的方法。其次介绍了Silvaco TCAD软件,包括数值计算,主要组件以及使用方法,半导体模拟的物理基础,器件模拟的基本模型等。然后在槽栅刻蚀的基础上设计了一款新型的常关型Al Ga N/Ga N HEMT器件。由于极化的作用,Al Ga N/Ga N异质结界面存在高浓度的二维电子气,所以器件在自然状态下是常开的。本文所设计的器件在势垒层中加入一段SiN介质使极化生成的二维电子气不连续,从而实现常关型。用silvaco软件对器件进行仿真,分析各参数对器件性能的影响,包括Al组分浓度,势垒层厚度,介质长度,肖特基势垒高度,栅下钝化层厚度等,根据仿真结果确定各个参数最合适的值。该常关型器件的Al Ga N势垒层分为两部分,第一部分厚度为15nm,Al组分浓度为0.3,第二部分厚度为1nm,Al组分浓度为0.05,栅宽(Wg)为100μm,栅长(Lg)为3μm,栅源极间距(Lgs)为2.5μm,栅极和漏极(Lgd)之间的距离为3.5μm。该器件的阈值电压为1V,当Vds=10V时,器件的峰值跨导为45m S/mm(Wg=0.1mm,Vgs=+3V)。栅压为+10V时电流和饱和电流密度分别达到50m A和500m A/mm(Wg=0.1mm),特征导通电阻为2mΩ·cm2。最后对本文设计的新型常关型器件结构进行拓展,设计了多介质常关型器件并进行了仿真分析。本文所设计的新型常关型器件和无介质层的常开型器件相比,实现了阈值电压1.6V的正向偏移。该结构设计灵活,在材料设计时可以对器件的结构进行预设,使器件设计的影响扩展到材料生长阶段。并且在制作工艺上避免了槽栅刻蚀对器件造成的损伤,优化了势垒层,解决了刻蚀深度不好精确控制的难点,降低了器件的制作成本。

关键词： AlGaN GaN 常关型 Si3N4 HEMT

选择区域外延槽栅结构GaN常关型MOSFET的研究

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电源学报 2016年第4期14卷 14-20页

作者：杨帆何亮郑越沈震刘扬中山大学电子与信息工程学院电力电子及控制技术研究所广州510275

高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷,影响器件的稳定性。首先,提... 详细信息

高性能GaN常关型功率开关器件的实现是目前研究的热点。槽栅结构GaN常关型MOSFET以其栅压摆幅冗余度大、栅极漏电流小等优势受到广泛关注。制备槽栅结构GaN常关型MOSFET需要的刻蚀方法会在栅极沟道引入缺陷,影响器件的稳定性。首先,提出选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET,期望避免刻蚀对栅极沟道的损伤;再通过改进选择区域外延工艺(包括二次生长界面和异质结构界面的分离及抑制背景施主杂质),使得二次生长的异质结构质量达到标准异质结构水平。研究结果表明,选择区域外延方法能够有效保护栅极导通界面,使器件具备优越的阈值电压稳定性;同时也证明了选择区域外延方法制备槽栅结构GaN常关型MOSFET的可行性与优越性。

关键词： AlGaN/GaN异质结构常关型 MOSFET 选择区域外延阈值电压稳定性

具有P-GaN帽层和绝缘栅的AlGaN/GaN常关型高电子迁移率晶体管器件研究

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具有P-GaN帽层和绝缘栅的AlGaN/GaN常关型高电子迁移率晶体管器件...

作者：彭韬玮西安电子科技大学

学位级别：硕士

GaN材料及其构成的AlGaN/GaN异质结构由于具有高二维电子气浓度、高击穿电压和高击穿电场等优良特性,非常适用于电力电子器件领域。然而,基于AlGaN/GaN异质结结构的器件在异质结界面处存在高浓度的二维电子气,使得器件常开,无法满足电... 详细信息

GaN材料及其构成的AlGaN/GaN异质结构由于具有高二维电子气浓度、高击穿电压和高击穿电场等优良特性,非常适用于电力电子器件领域。然而,基于AlGaN/GaN异质结结构的器件在异质结界面处存在高浓度的二维电子气,使得器件常开,无法满足电力电子领域对器件安全系数高、转换功耗低等要求。因此,近年来人们对常关型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件展开了深入地研究。在常关型GaN基HEMT器件诸多解决方案之中,p-GaN结构器件展现出了阈值电压均匀、耐压高、可靠性强等优点,非常适用于功率应用。本文将仿真与实验相结合,设计并实现了一种栅极自对准工艺,基于此工艺开展了p-GaN帽层和绝缘栅结构常关型GaN基HEMT器件的研究,主要内容有:(1)为解决因常规光刻对准工艺的限制而存在的源漏串联电阻较大和p-GaN中Mg扩散到沟道导致沟道迁移率下降的问题,本文提出了一种基于栅极自对准工艺的p-GaN/i-GaN复合帽层器件,通过引入i-GaN阻挡层来抑制Mg的扩散,同时其自对准的栅金属覆盖了整个p-GaN层进而控制整个沟道,从而降低源漏串联电阻。使用Silvaco仿真软件对器件进行仿真分析,发现伴随着i-GaN阻挡层的引入,器件阈值电压随之降低,但仍能维持常关型工作模式,因此折中选择合适的i-GaN层厚度是优化器件性能的关键。接着通过对比分析不同栅长的器件特性发现,栅电极对沟道的控制只能体现在其正下方的区域,通过自对准工艺可以有效提高栅对沟道的控制。随后,采用先栅工艺和低温欧姆接触工艺制备了基于p-GaN/i-GaN复合帽层结构的AlGaN/GaN HEMT器件。其中最佳低温欧姆工艺条件为28 s高功率ICP刻蚀,再在500°C退火20 min。所得器件阈值电压为1.3 V,实现了器件常关型工作。该器件饱和输出电流密度为40 mA/mm,在Vg=2 V时达到最大迁移率711 cm/V·s,同时具有良好的变温特性。此外,器件具有较低的反向泄漏电流(10 A),说明p-GaN/i-GaN帽层的引入能够有效的抑制器件关态漏电。(2)为解决上述器件中仍存在的阈值电压低和正向栅极泄漏电流大的问题,我们提出了绝缘栅结构与自对准工艺相结合的方式改进器件性能。通过Silvaco仿真得出,器件阈值电压大小与栅介质的厚度和介电常数密切相关,栅介质厚度的增大和介电常数的减小均能提高器件阈值电压。并且介质层厚度与介电常数的变化并不会影响器件饱和输出电流密度。基于仿真结果,我们制得了基于栅极自对准的Si N/p-GaN/i-GaN复合栅器件。特性测试结果表明,随着Si N介质层的引入,器件阈值电压得到提高,最终达到2.2 V,实现阈值电压有效正移,且相较于无介质层器件提高了0.9 V。同时对两器件间的栅极泄漏电流展开了对比研究,结果显示相较于无介质栅器件,绝缘栅器件表现出了更低的栅漏电水平(当栅压为10 V时,正向栅泄漏电流低约三个数量级,为10 A)。与此同时,器件沟道最大迁移率在625 cm/V·s左右,与上述器件表现出了相同的电子传输性能。器件击穿测试结果表明,器件在漏压1870 V时达到了硬击穿。

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管 p型氮化镓帽层自对准结构常关型

Mg扩散法制备常关型GaN基HEMT器件及其机理研究

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Mg扩散法制备常关型GaN基HEMT器件及其机理研究

作者：万利军华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,第三代半导体材料Ga N凭借其禁带宽度大、击穿场强大等优异的材料特性在电力电子等领域中应用广泛。其中,Al Ga N/Ga N异质结材料所特有的高饱和电子浓度、高电子迁移率、低导通沟道电阻及高击穿场强等优势,使得Al Ga N/Ga N高... 详细信息

近年来,第三代半导体材料Ga N凭借其禁带宽度大、击穿场强大等优异的材料特性在电力电子等领域中应用广泛。其中,Al Ga N/Ga N异质结材料所特有的高饱和电子浓度、高电子迁移率、低导通沟道电阻及高击穿场强等优势,使得Al Ga N/Ga N高电子迁移率晶体管(High electron mobility transistor,HEMT)在功率电子应用中受到广泛关注。然而,天然的Al Ga N/Ga N结构的HEMT器件为常开型器件,在不施加栅极电压的情况下,器件就处于导通状态。这种常开型器件将其应用于功率器件领域,则会增加电路设计的成本和复杂性,增加器件开关转换的功耗。因此常关型Ga N基HEMT器件的研究在实际应用中极其重要。在目前众多主流的制备常关型HEMT器件的方法中,通过将p-Ga N材料作为栅极帽层来提高阈值电压展现出了较好的可靠性,且目前商业化应用上也主要是采用该方法来制备常关型HEMT器件。然而针对该方法所需要的高刻蚀精度、低材料损伤及p型掺杂浓度较低等问题一直得不到很好的解决。针对以上问题,本文提出了一种新颖的p型栅常关型HEMT器件的制备方法,该方法基于Mg原子扩散理论,通过金属Mg在高温下向Al Ga N势垒层的渗透和扩散形成Al Ga N势垒层的局域p型掺杂,从而方便且高效地实现基于p型栅极帽层的常关型HEMT器件。详细探讨了材料表面与界面状态以及温度条件对Mg原子扩散机理和器件性能的影响,并进行了相关的工艺优化,取得的研究成果如下:(1)基于扩散方程建立了扩散系数与缺陷之间的联系,研究并分析了Al Ga N材料与Mg材料的表面与界面状态对Mg扩散机理以及器件性能的影响。通过有无ICP刻蚀来分析Al Ga N材料与Mg材料的表面与界面状态对Mg扩散的影响,揭示了扩散的机理和实现常关型特性的原理。研究发现,ICP刻蚀会增加Al Ga N材料与Mg材料的表面与界面的粗糙状态并引入大量的表界面态缺陷,有利于Mg扩散效率和扩散浓度的提高,从而实现Al Ga N势垒层的重p型掺杂和Ga N HEMT器件的阈值电压提升。在此基础上,研究了不同刻蚀时间后的材料表界面状态,得出了与器件性能的联系。同时设计了Mg O钝化层结构,有效抑制了栅极漏电,并据此综合归纳出最优的工艺路线及器件最优的性能表现。在ICP栅极刻蚀5 s后进行600°C持续1 min的Mg扩散实现了最高接近10 cm的p型掺杂浓度,1.4 V的常关型阈值电压,2?10 m A/mm的优异漏电性能。(2)研究并分析了退火温度对Mg扩散机理以及器件性能的影响。本章我们详细探讨了退火温度这一重要因素对镁原子在Al Ga N晶格中的扩散行为的影响及导致的器件性能变化。揭示了退火温度对Mg扩散的内在影响机理,得出Mg原子在Al Ga N晶格中的内在置换行为,即通过置换Al Ga N材料内的Ga原子和Al原子从而形成单受主释放空穴,实现材料的p型掺杂。退火温度的提高导致Mg置换Al Ga N晶格的Ga或Al原子的反应效率提高,材料内更多的Ga或Al原子被Mg原子置换出原晶格位置并向材料表面聚集,导致材料表面及界面粗糙度增加,并据此建立了退火温度与材料内空穴浓度之间的相关性。通过控制退火温度来实现空穴浓度的变化进而实现阈值电压的调控。在400°C低温Mg扩散后实现了器件的阈值电压为0.1 V的常关型特性,为低温高性能常关型HEMT器件的制备提供了一种新的思路。综上所述,本文一方面通过刻蚀来分析Al Ga N材料与Mg材料的表面与界面状态对Mg扩散机理以及器件性能的影响,另一方面通过研究退火温度对Mg扩散机理行为以及器件性能的影响,得出了最优的工艺路线和积极的器件性能结果。本文的研究将对常关型Ga N基HEMT器件的深入研究与发展提供重大指导意义。

关键词： Mg扩散 AlGaN/GaN异质结 HEMT 常关型干法刻蚀

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肖特基型p-GaN栅极电致发光研究

深圳大学学报（理工版） 2021年第3期38卷 227-231页

作者：邱然刘禹涵李百奎深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室广东深圳518060

制造肖特基型Ni/p-GaN/AlGaN/GaN结构的p-GaN栅极器件,并研究该器件在不同温度与正向偏压下的电致发光现象.当栅极偏压大于4 V时,可以观测到源自p-GaN层的电致发光;当栅极偏压大于6 V时,可以观测到源自沟道层的氮化镓带边发光;当温度升... 详细信息

制造肖特基型Ni/p-GaN/AlGaN/GaN结构的p-GaN栅极器件,并研究该器件在不同温度与正向偏压下的电致发光现象.当栅极偏压大于4 V时,可以观测到源自p-GaN层的电致发光;当栅极偏压大于6 V时,可以观测到源自沟道层的氮化镓带边发光;当温度升高时,电致发光的强度增加.电致发光光谱随偏压及温度的演变过程,揭示了p-GaN栅结构中电子和空穴的非对称性注入过程,以及Ni/p-GaN界面处的热致空穴注入增强效应.研究有助于理解和提高p-GaN栅功率器件的稳定性和可靠性.

关键词：光学工程氮化镓功率电子器件高电子迁移率场效应管常关型栅极工程电致发光

六英寸Si基GaN功率电子材料及器件的制备与研究

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电源学报 2019年第3期17卷 26-37页

作者：何亮张晓荣倪毅强罗睿宏李柳暗陈建国张佰君刘扬中山大学电子与信息工程学院广州510275 江苏华功半导体有限公司苏州215215 深圳方正微电子有限公司深圳518116 中国电源学会

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si... 详细信息

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表,具有优异的材料物理特性,更加适合于下一代电力电子系统对功率开关器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣工作温度的要求。为了兼容Si基CMOS工艺流程,以及考虑到大尺寸、低成本等优势,在Si衬底上进行GaN材料的异质外延及器件制备已经成为业界主要技术路线。详细介绍了在6英寸Si衬底上外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构功率电子材料,以及基于6英寸CMOS产线制造Si基GaN功率MIS-HEMT和常关型Cascode GaN器件的相关成果。

关键词： 6英寸Si衬底 AlGaN/GaN功率电子材料 CMOS工艺 GaNMIS-HEMT器件常关型

In(Al)GaN异质结材料及器件特性研究

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In(Al)GaN异质结材料及器件特性研究

作者：庞凯西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,AlGaN/GaN HEMTs(异质结高电子迁移率晶体管)成为GaN基电子器件中研究的热点之一。在本文中,我们采用InGaN作为沟道层,得到了高输出电流密度,跨导特性优异,高温下稳定性强的AlGaN/InGaN/GaN双异质结HEMTs器件;采用InAlGaN作为势... 详细信息

近年来,AlGaN/GaN HEMTs(异质结高电子迁移率晶体管)成为GaN基电子器件中研究的热点之一。在本文中,我们采用InGaN作为沟道层,得到了高输出电流密度,跨导特性优异,高温下稳定性强的AlGaN/InGaN/GaN双异质结HEMTs器件;采用InAlGaN作为势垒层,通过调节合金中的Al和In的组分,得到常关型In AlGaN/GaN HEMTs器件。取得的研究成果如下:1.利用异质结极化理论,借助InAlGaN中In、Al组分对四元合金晶格常数的调制作用,采用InAlGaN作势垒层,实现了蓝宝石上具有压应变的InAlGaN/GaN异质结材料。表面形貌、结晶质量和电学表征结果显示,RMS(Root Mean Square)为0.69 nm,在表面没有In滴析出,倒易空间扫描显示势垒层完全应变;2DEG(二维电子气)迁移率为1248.86 cm/V·s,2DEG面密度9.21?10 cm,方块电阻值为10.04 k?/?。2.利用MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)和PMOCVD(脉冲金属有机化合物化学气相淀积)相结合的方式,在蓝宝石衬底上制备了性能优异的AlGaN/InGaN/GaN双异质结。利用一维Schrodinger方程和Poisson’s方程自洽求解,分析AlGaN/InGaN/GaN双异质结的能带结构,对比常规结构表现出优异的沟道限域性和GaN缓冲层的天然背势垒效果。异质结材料表面为清晰台阶状,RMS(表面粗糙度)0.20 nm,螺位错密度9.37×10 cm,刃位错密度8.33×10 cm。室温下,2DEG迁移率为1613.5 cm/V·s,面密度1.29×10 cm。从298 K升温至573 K,双异质结2DEG迁移率的退化程度较常规AlGaN/GaN结构小14%。3.成功制备了高性能AlGaN/InGaN/GaN双异质结HEMTs。栅压为2 V时,饱和输出电流密度为1002.40 mA/mm,跨导峰值为140.74 mS/mm,在较大范围内保持稳定。DIBL系数仅为3.67 mV/V。将温度从298 K升高到523 K,器件的饱和输出电流密度衰减量比AlGaN/GaN HEMTs低10%,跨导峰值衰减量小8%;DIBL系数的增大程度比AlGaN/GaN HEMTs小30.34%。这些都显著表现了双异质结材料沟道限域性优良和高温下工作稳定的优势。器件栅长1μm,f(特征频率)9.2 GHz,f(最大振荡频率)为16.1 GHz。4.在InAlGaN/GaN异质结上制作了常关型InAlGaN/GaN HEMTs器件。阈值电压为+0.43 V,实现normally-off特性,在栅压为4 V时,最大输出电流密度为249.92 mA/mm,跨导峰值为104.63 mS/mm。DIBL系数为11.88 mV/V,击穿电压较低为84.5 V;进行高温测试,从298 K升至523 K后,击穿电压下降至60.5 V。双脉冲动态IV测试发现在(-6,10)静态工作点输出电流峰值衰减15.71%,表明在改善材料和结构后只有较少的陷阱态。

关键词：氮化镓高电子迁移率晶体管双异质结常关型铟(铝)镓氮