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混合阳极AlGaN/GaN肖特基二极管研究

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混合阳极AlGaN/GaN肖特基二极管研究

作者：王军西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,AlGaN/GaN肖特基二极管具备开关速度快、击穿场强高、热性能好等优点,在电源开关领域具有重要应用价值,然而AlGaN/GaN SBD开启电压较高。一种混合结构整流器,特点为阳极由凹槽肖特基和欧姆接触互联组成。该结构具有栅控功能,器... 详细信息

近年来,AlGaN/GaN肖特基二极管具备开关速度快、击穿场强高、热性能好等优点,在电源开关领域具有重要应用价值,然而AlGaN/GaN SBD开启电压较高。一种混合结构整流器,特点为阳极由凹槽肖特基和欧姆接触互联组成。该结构具有栅控功能,器件的开启电压取决于沟道的阈值电压而不受肖特基势垒高度影响,能有效减小器件开启电压。本文从结构仿真和器件制备两方面对混合阳极AlGaN/GaN SBD进行细致研究。研究思路如下:首先利用Silvaco-ATLAS仿真软件分析了阳极凹槽深度和肖特基/欧姆(L/d)比值变化对器件特性的影响,通过仿真确定了器件结构参数并指导器件版图设计。然后制备了实际的混合阳极AlGaN/GaN SBD,随后完成了器件直流测试,验证了凹槽深度及L/d参数变化对器件特性的影响趋势。最后分析了阴阳极间距、浮动金属条和Si N钝化层对器件特性影响,对比常规器件结构,突出了该混合结构所具有的优异特性。在器件的仿真部分,通过模拟不同刻蚀深度和肖特基/欧姆比值来研究混合阳极AlGaN/GaN SBD的伏安特性。随着阳极凹槽深度的增加,肖特基接触下方二维电子气(2DEG)浓度减小,器件的开启电压逐渐增加并趋于饱和,击穿电压迅速增加到最大值后基本保持不变。深度小于15nm时,肖特基凹槽下方2DEG不能完全耗尽。当施加阳极偏压,阴极和阳极欧姆之间容易导通,器件伏安特性曲线近似于欧姆特性。深度为19nm和24nm(完全刻蚀)的正向特性基本相同,此时电子倾向于通过阳极的肖特基金属而不是阳极欧姆金属。随着阳极L/d比值的增加,器件开启电压和反向击穿的变化规律与深度变化对器件的特性影响基本类似。由于L逐渐增加即导电沟道的延伸,引起特征导通电阻增加,器件开启电压随之增加,当肖特基长度与阴阳极间距相比拟时,L的增加对器件的正向特性影响较小。当肖特基长度大于2μm时,反偏时肖特基耗尽区域能有效阻断Ga N缓冲层的漏电通道,器件击穿电压保持在600V左右。因此当凹槽深度为16nm、L/d为2/60时能兼顾器件的低开启电压和反向击穿。完成了实际器件的制备与电学测试,测试结果和仿真结论基本吻合,实验验证了器件仿真的可靠性。探究了不同阴阳极间距对器件的影响,结果表明随着阴阳极间距逐渐增加,反向击穿逐渐增大,但耐压改变量较小。之后研究了肖特基长度分别为2μm和4μm时,浮动金属条与肖特基接触距离对器件击穿特性的影响,发现器件的最大击穿电压所对应间距均为6μm。针对阴阳极间距变化,击穿电压改变较小的原因,分析可能由于Si N钝化引起的界面漏电问题,之后证实了Si N的移除能有效改善器件的反向泄漏电流,提高了器件的击穿电压。最后比较了常规肖特基结构,凹槽肖特基结构及混合阳极结构二极管的电学参数,证明了该混合结构的肖特基二极管在低开启电压和反向击穿上都优于其他类型器件。

关键词：肖特基势垒二极管 AlGaN/GaN 混合阳极低开启电压

AlGaN/GaN非凹槽混合阳极SBD射频性能及建模

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半导体技术 2021年第5期46卷 358-364,381页

作者：刘芷诫郑英奎康玄武孙跃吴昊陈晓娟魏珂中国科学院大学北京100049 中国科学院微电子研究所北京100029

基于大功率微波输能的需求,制备了新型AlGaN/GaN非凹槽混合阳极肖特基势垒二极管(SBD)。对新型结构的器件进行了小信号建模,可用于微波输能电路设计。通过开路、短路去嵌结构法从小信号S参数中提取了器件的寄生电容、电感和电阻,结合去... 详细信息

基于大功率微波输能的需求,制备了新型AlGaN/GaN非凹槽混合阳极肖特基势垒二极管(SBD)。对新型结构的器件进行了小信号建模,可用于微波输能电路设计。通过开路、短路去嵌结构法从小信号S参数中提取了器件的寄生电容、电感和电阻,结合去嵌后的S参数与直流I-V、C-V特性曲线提取了器件的本征参数。综合寄生和本征参数建立了器件的小信号模型,将模型仿真结果与器件的实测结果进行了对比,同时引入误差因子评估了模型的准确度。结果表明,在0.1~10 GHz内,回波损耗相对误差小于4.1%,插入损耗相对误差小于3.7%,验证了所提出模型的可行性和准确性。

关键词： GaN AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管(SBD) 混合阳极微波输能

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一种多层阳极在电致发光中的应用

兰州大学学报（自然科学版） 2005年第6期41卷 86-89页

作者：王方聪齐丙丽欧谷平张春林张福甲兰州大学物理科学与技术学院甘肃兰州730000

报道了一种新型的多层阳极结构在电致发光器件中的应用,其结构为ITO／Ag／ITO,该阳极表面方块电阻为2 Ω／□．制成器件的结构为ITO／Ag／ITO／TPD:PVK／Alq／Al,在同样测试条件下,测得其发光亮度为ITO／TPD:PVK／Alq／Al器件的5倍,... 详细信息

报道了一种新型的多层阳极结构在电致发光器件中的应用,其结构为ITO／Ag／ITO,该阳极表面方块电阻为2 Ω／□．制成器件的结构为ITO／Ag／ITO／TPD:PVK／Alq／Al,在同样测试条件下,测得其发光亮度为ITO／TPD:PVK／Alq／Al器件的5倍,另外对器件亮度的衰减作了研究．

关键词：混合阳极表面电阻衰减

基于氧化石墨烯功能材料提高PEDOT:PSS电极特性研究

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光电子．激光 2019年第7期30卷 697-703页

作者：郭阳阳王文军李淑红刘云龙刘婷婷赵玲王青如高学喜聊城大学物理科学与信息工程学院山东聊城252059 山东省光通信科学与技术重点实验室山东聊城252059

基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/氧化石墨烯(GO)混合溶液,利用旋涂法制备了高电导率透明阳极,并采用硫酸(H2SO4)浸渍处理的方式,使其导电特性进一步增强。采用最佳方式处理的PEDOT:PSS/GO混合薄膜在厚度为40 nm时,... 详细信息

基于聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/氧化石墨烯(GO)混合溶液,利用旋涂法制备了高电导率透明阳极,并采用硫酸(H2SO4)浸渍处理的方式,使其导电特性进一步增强。采用最佳方式处理的PEDOT:PSS/GO混合薄膜在厚度为40 nm时,其方阻为80Ω/,在550 nm时的透过率达到87.7%。基于表面形貌的AFM图,吸收光谱和拉曼光谱,在少量氧化石墨烯掺杂和硫酸处理后,PSS-和PEDOT+链相分离,使得PEDOT:PSS的结构发生了变化,提高了混合薄膜的电导率。与ITO和纯PEDOT:PSS分别作为阳极的OLED器件相比,采用优化的PEDOT:PSS/GO混合薄膜作为阳极时的OLED器件具有最低的启亮电压和最高的电流效率,其最大亮度是纯PEDOT:PSS作为阳极的OLED的1.7倍。较高的透过率,电导率和HOMO能级,尤其是表面形貌的改变都有利于PEDOT:PSS/GO阳极OLED器件性能的改善。

关键词：柔性OLED 氧化石墨烯功能材料 PEDOT:PSS/GO混合薄膜混合阳极电流效率

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高压低功耗GaN功率器件机理与仿真研究

高压低功耗GaN功率器件机理与仿真研究

作者：郗路凡电子科技大学

学位级别：硕士

功率半导体器件是现代电力电子技术的基石,高性能、高可靠的功率器件是提高功率变换系统效率的关键所在,为新应用场景的实现、现有需求低碳降耗的改进提供支持,可以有效的提高社会经济效益,推动早日实现“碳达峰”以及“碳中和”。作为... 详细信息

功率半导体器件是现代电力电子技术的基石,高性能、高可靠的功率器件是提高功率变换系统效率的关键所在,为新应用场景的实现、现有需求低碳降耗的改进提供支持,可以有效的提高社会经济效益,推动早日实现“碳达峰”以及“碳中和”。作为第三代半导体材料的典型代表,氮化镓材料具有临界击穿电场高、电子饱和速率大、抗辐照能力强等优势,其在微波/射频、移动通信、电力电子、光电照明等领域都有广泛应用。在电力电子领域,依托异质结结构的极化效应所带来的高载流子浓度和高迁移率优势,氮化镓功率器件受到了学术界和产业界的广泛关注,在材料外延、器件设计、工艺生产与实验表征等方面的研究都有了长足的进步,但是仍然有许多的技术难题阻碍着氮化镓器件的进一步推广。本文通过采用TCAD仿真、进行离子注入等关键工艺实验以及实际流片测试,提出并研制了一种新型Al GaN/GaN HEMT功率器件,还提出了一种双异质结增强的凹槽MIS栅混合阳极二极管器件,基于Sentaurus TCAD数值仿真软件对分析器件的工作机理并进行参数优化。具体创新点如下:1.提出并研制具有多区氟离子注入终端的增强型高压AlGaN/GaN HEMT器件,氟离子注入区分为栅区和终端区,在局部减薄的介质钝化层上通过一次氟离子注入同时实现栅极增强型和漂移区的多区氟离子注入终端。钝化层同时充当离子注入的保护层,有效提高界面质量,降低界面陷阱浓度;多区氟离子注入终端调制漂移区表面电场分布,优化导通电阻与耐压的折中关系。流片测试结果表明,相比于传统单窗口氟离子注入终端,多区氟离子注入终端的功率品质因数提高了63%,达到696MW/cm。2.提出具有极化超结结构的凹槽MIS型混合阳极二极管器件,通过p-GaN/AlGaN/GaN双异质结形成2DHG与2DEG,在耐压状态下实现电荷平衡,优化漂移区电场分布,提高耐压。凹槽MIS混合阳极结构代替传统肖特基接触,降低二极管的开启电压。仿真结果表明,新结构二极管的开启电压低至0.4V,输出电流提高104%,漂移区的平均电场强度达到1.86MV/cm。

关键词：氮化镓功率器件 AlGaN/GaN HEMT 氟离子混合阳极

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一种高性能GaN功率整流器研究

一种高性能GaN功率整流器研究

作者：汪玲电子科技大学

学位级别：硕士

氮化镓(GaN)功率器件因能实现高功率、高频率、高线性度、高效率等特点吸引着其在功率器件应用领域的快速发展。整流器在功率应用领域中占有重要地位,开发一种具有低正向开启电压、低反向漏电和高反向耐压能力的高性能GaN功率整流器对... 详细信息

氮化镓(GaN)功率器件因能实现高功率、高频率、高线性度、高效率等特点吸引着其在功率器件应用领域的快速发展。整流器在功率应用领域中占有重要地位,开发一种具有低正向开启电压、低反向漏电和高反向耐压能力的高性能GaN功率整流器对于实际应用具有重要意义。本文的工作就是提出具有该高性能的GaN功率整流器。主要研究内容包括:(1)提出一种具有结终端混合阳极结构的GaN功率整流器(AlGaN/GaN Power Rectifier with Edge-Terminated Hybrid Anode,ETH-Rectifier)。ETH-Rectifier的特点为:1、采用刻蚀凹槽的方式优化栅下方AlGa N势垒层的厚度实现对二维电子气浓度(2DEG)的调制,从而实现对器件的正向开启电压的调制。仿真表明ETH-Rectifier的开启电压为0.25V,是常规肖特基二极管(SBD)开启电压的1/6。2、在靠近阴极一侧的肖特基凹槽中引入结终端大幅降低整流器的反向漏电,提高反向耐压。与没有结终端的器件相比,该ETH-Rectifier的反向漏电流在反向偏压为-100V时降低了5个量级。在阳极到阴极的距离Lac=5.0μm时,没有结终端的器件在漏电流为10μA/mm时击穿电压为400V,而ETH-Rectifier在漏电流为1μA/mm时击穿电压达到510V。且引入2.0μm长的场板后,器件耐压值从510V提高至800V,提升了56.86%。并根据BFOM值优化结终端和场板的长分别为1.0μm和2.0μm。(2)根据仿真中ETH-Rectifier存在的问题和参数的优化选取,在实际器件设计中提出优化结构:具有MIS栅混合阳极的GaN功率整流器(AlGaN/GaN Power Rectifier with MIS-Gated Hybrid Anode,MG-HAR)。MG-HAR的特点为:1、同样采用刻蚀凹槽方式调制开启电压,测试表明MG-HAR的开启电压为0.6V,而同比SBD的为0.9V。2、凹槽中全部淀积上栅介质来减小漏电提高耐压。在Lac=5.0μm时,偏压-100V内MG-HAR的反向漏电比SBD低两个量级。定义MG-HAR在漏电为10μA/mm时击穿,则MG-HAR在Lac=5.0μm和10.0μm下击穿电压分别为438V和575V,这已超过Lac=20.0μm下SBD的击穿电压值(512V@1mA/mm)。Lac=20.0μm下MG-HAR的击穿电压更是可以高达1100V,且在790V之前器件漏电都低于1μA/mm。

关键词：氮化镓(GaN)整流器凹槽栅混合阳极结终端 MIS

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Si基GaN横向功率二极管新结构研究

Si基GaN横向功率二极管新结构研究

作者：靳旸电子科技大学

学位级别：硕士

在过去的十年中,氮化镓(GaN)材料获得了越来越多的关注和研究,因为它具有比Si材料更高的禁带宽度和热导率,尤其是GaN异质结器件,拥有高密度的二维电子气和很高的电子迁移率,是高频高功率应用领域未来的发展方向。功率二极管是半导体功... 详细信息

在过去的十年中,氮化镓(GaN)材料获得了越来越多的关注和研究,因为它具有比Si材料更高的禁带宽度和热导率,尤其是GaN异质结器件,拥有高密度的二维电子气和很高的电子迁移率,是高频高功率应用领域未来的发展方向。功率二极管是半导体功率器件中最重要的元件之一,被广泛地应用于功率系统中的开关电路、整流电路、限幅电路、驱动电路和储能电路等。相比Si基肖特基势垒二极管,GaN功率二极管拥有更低的导通电阻、更高的击穿电压、更好的导热性,可以进一步降低电路的能耗、提高电路的可靠性。但是目前GaN器件从理论到工艺技术都存在很多缺失,器件在开启电压、导通损耗和反向耐压等方面远未达到应有的水平。因此本文围绕GaN功率二极管的新结构和工艺技术进行研究,以进一步提高GaN功率二极管的性能。本文提出了Si基GaN横向功率二极管新结构——MIS栅混合阳极二极管(MG-HAD)。该结构采用欧姆金属和凹槽栅金属短接的混合阳极,器件在较小的正向电压下通过凹槽栅金属控制2DEG沟道开启,从而使电子可以从阴极欧姆金属流向阳极欧姆金属。相较传统结构,MG-HAD具有三大优势:一,开启电压的大小容易调制,可根据需求进行定制;二,阳极采用欧姆金属,极大地降低了器件导通损耗;三,MIS凹槽栅结构可使阳极边缘电场分布均匀,增大了器件的击穿电压。为了验证MG-HAD的可行性,本文进行了流片实验,并对流片中的关键工艺步骤如欧姆金属和混合凹槽刻蚀工艺进行了优化。最终研制出的器件具有非常优秀的正反向特性和良好的温度稳定性。在正向导通测试中,器件的开启电压为0.6V,突破了传统GaN SBD开启电压大于1V的瓶颈。在反向耐压测试中,器件的关态漏电非常小,低于10μA/mm。在温度稳定性测试中,器件在常温下的击穿电压大于1100V,在150°C下仍有600V以上,展现出了优良的温度稳定性。

关键词：氮化镓 GaN AlGaN/GaN 二极管 MG-HAD 混合阳极