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增强型gan Trench-Gate MIS-HFET阈值电压调控技术

增强型GaN Trench-Gate MIS-HFET阈值电压调控技术

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作者：杨溢电子科技大学

学位级别：硕士

功率半导体器件在电能控制和转化领域扮演着重要的角色,通过对其进行合理的设计可以提升电能转化效率,增强系统稳定性,及作为开关元件控制能量的传输。gan功率开关器件是近年来国际学术界和工业界的研究热点,其凭借高击穿电压、高工作... 详细信息

功率半导体器件在电能控制和转化领域扮演着重要的角色,通过对其进行合理的设计可以提升电能转化效率,增强系统稳定性,及作为开关元件控制能量的传输。gan功率开关器件是近年来国际学术界和工业界的研究热点,其凭借高击穿电压、高工作温度和高开关频率的优越特性有望成为下一代高效、高速电力电子的理想候选方案之一。增强型是保证功率开关器件稳定、可靠、安全工作的关键,高阈值电压可有效避免增强型器件实际工作中寄生电容等多种因素导致的器件“误开启”问题,而凹槽栅技术是增强型gan的重要实现方法之一,也是gan功率器件领域的研究难点。本文通过仿真及实验的方法,对增强型gan Trench-Gate MIS-HFET阈值电压调控技术进行研究。本文首先介绍了gan HFET的基本工作原理,分析对比了各增强型实现方法,讲解了制备gan凹槽栅器件的常规工艺流程,重点阐明了凹槽栅氟离子埋层这一新技术方案的设计思路及工作原理,并通过仿真手段证实了凹槽栅基础上引入F离子埋层结构可实现阈值电压的调控,为实验流片奠定基础。然后本文设计了制备凹槽栅氟离子埋层器件的工艺流程,在进行核心工艺研发过程中,开发了一种高质量湿法腐蚀栅槽的方法。对势垒层进行高温氧化,氧化反应可自动终止于异质结界面,通过热碱溶液腐蚀氧化后势垒层可得到精确全刻蚀的低损伤栅槽,界面均方根粗糙度仅为0.298nm。该探究结果提供了一种高质量凹槽栅的刻蚀方法和较大窗口工艺条件。最后本文优化得到凹槽栅刻蚀及氟离子注入的核心工艺实验条件。通过去除界面自然氧化层,N等离子体处理,插入AlN介质层等一系列栅槽刻蚀后表面处理工艺得到阈值电压回滞0.05V的高质量栅槽。利用RIE设备刻蚀牺牲层过程中逐步注入F离子的方法引入F离子埋层结构,实现阈值电压的正向调制。最终得到阈值电压5.0V,阈值回滞0.1V,V=10V时饱和电流400mA/mm性能优异的器件,实现阈值电压大范围调控的同时保持了器件较强的输运能力。

关键词： gan增强型器件 Trench-Gate F离子埋层界面处理阈值电压调控

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gan基凹槽栅MOSFET器件设计与制备技术研究

GaN基凹槽栅MOSFET器件设计与制备技术研究

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作者：刘丽电子科技大学

学位级别：硕士

Algan/gan异质结由于极化效应在异质结界面靠近gan侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道,使得Algan/gan HEMT器件具有导通电阻小、开关速度快、正向导通饱和电流密度大等特点,在器件应用中占据较大优势,因此得到广泛关注... 详细信息

Algan/gan异质结由于极化效应在异质结界面靠近gan侧产生了高浓度、高电子迁移率的二维电子气导电沟道,使得Algan/gan HEMT器件具有导通电阻小、开关速度快、正向导通饱和电流密度大等特点,在器件应用中占据较大优势,因此得到广泛关注和研究。然而常规HEMT器件为常开型器件,器件实际应用中需要负压驱动,驱动电路设计难度大、成本增加,且负压驱动电路不具备失效保护功能,使得系统安全性降低。因此,如何实现高性能的增强型gan电力电子器件成为目前研究的热点。本文采用凹槽栅MOSFET器件结构实现gan增强型器件。凹槽栅结构实现增强型器件的机理是通过改变栅极下方势垒层的厚度来减弱栅槽异质结的极化效应,耗尽栅槽下方沟道的二维电子气,完成阈值电压调控,从而实现增强型器件。本文首先通过仿真软件研究了栅槽刻蚀深度T对器件阈值电压的影响,为后续实验提供理论基础。在仿真理论分析的基础上进行了Algan/gan凹槽栅MOSFET器件的实验研究。实验中出现凹槽栅MOSFET器件阈值电压为负值的非正常现象,测试器件的C-V特性发现在AlO与gan界面存在大量固定正电荷。通过第一性原理计算分析得出固定正电荷的产生是由于栅槽刻蚀产生大量Ga的悬挂键,且Ga-O键的结合能小于Ga-N键,栅介质AlO中的O原子容易替代gan中的N原子形成Ga-O键,Ga-O键与Ga的悬挂键均显正电特性。固定正电荷在栅极下方吸引等量电子聚集,使得凹槽栅器件阈值电压为负值。为了降低栅介质AlO与gan界面固定正电荷的电荷密度,实现器件阈值电压调控,在优化实验中引入了N2氛围中的栅介质后退火工艺。N离子AlO/gan界面热处理可有效恢复Ga-N键,降低了AlO与Ga N界面正电荷密度,实现了器件阈值电压7.1V的大范围调控。界面固定正电荷密度的降低也使得沟道散射机制减弱,增强型器件沟道载流子迁移率增大,最终得到阈值电压7.6V,导通电阻19.5Ω.mm,饱和漏极电流355mA/mm,击穿电压1050V@Lgd=20μm的凹槽栅增强型MOSFET器件,是目前报道的阈值电压大于5V器件中漏极饱和电流密度最大的Algan/gan增强型器件。

关键词： gan增强型器件凹槽栅高阈值界面电荷 MOS

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