高壓增強(qiáng)型GaN HFET機(jī)理與新結(jié)構(gòu)研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-11 00:51
AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（AlGaN/GaN HFET）因其優(yōu)異的材料特性、良好的器件性能,被認(rèn)為是未來(lái)替代硅基功率器件的熱門選擇之一。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)在形成高面密度、高電子遷移率的二維電子氣（2DEG）的同時(shí)也使得傳統(tǒng)AlGaN/GaN HFET本質(zhì)上為耗盡型器件,限制了其在功率電子領(lǐng)域的應(yīng)用。其次,柵極電場(chǎng)集中效應(yīng)與緩沖層漏電等問(wèn)題容易引發(fā)AlGaN/GaN HFET提前擊穿,導(dǎo)致器件的平均擊穿電場(chǎng)遠(yuǎn)低于GaN材料的臨界擊穿電場(chǎng)。為解決上述問(wèn)題,本論文提出了兩種新型AlGaN/GaN HFET功率器件,并對(duì)其機(jī)理、靜態(tài)特性及關(guān)鍵參數(shù)展開(kāi)了研究。1.針對(duì)傳統(tǒng)AlGaN/GaN HFET擊穿電壓遠(yuǎn)低于理論值及閾值電壓與開(kāi)態(tài)電流之間存在制約關(guān)系的問(wèn)題,本文提出了一種對(duì)稱極化摻雜增強(qiáng)型AlGaN/GaN HFET功率器件。該結(jié)構(gòu)采用Al組分對(duì)稱漸變的AlGaN勢(shì)壘層,因極化梯度而分別在正向漸變AlGaN層和逆向漸變AlGaN層中誘導(dǎo)產(chǎn)生三維電子氣（3DEG）和三維空穴氣（3DHG）。第一,正向漸變AlGaN層中存在的高濃度3DEG顯著提升器件的輸出電流。第二,新結(jié)構(gòu)利用...
【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：74 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
不同半導(dǎo)體材料比導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的理論極限圖
aN 功率器件的比導(dǎo)通電阻與硅基功率器件相比要低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上電阻可以顯著降低器件的導(dǎo)通損耗。AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)可極化產(chǎn)生電子氣（2DEG），這是同為第三代半導(dǎo)體材料 SiC 所不具有的，因 SiC 相比仍有較大的優(yōu)越性。隨著硅基 GaN 異質(zhì)外延技術(shù)日益成熟以與傳統(tǒng)硅基 CMOS 工藝兼容，使得 GaN 器件的成本遠(yuǎn)低于 SiC 器一代移動(dòng)通信技術(shù)等應(yīng)用對(duì)電力電子器件高頻率、寬帶寬、高效率成本的需求。aN 與 SiC 電力電子器件有比較清晰的市場(chǎng)劃分，SiC 器件主要用于高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 功率器件則在 900 V 以下有較大優(yōu)勢(shì)。根戰(zhàn)略咨詢公司 Yole Développement（簡(jiǎn)稱 Yole）2017 年發(fā)布的一份率器件市場(chǎng)規(guī)模將從 2017 年的 2000 萬(wàn)美元增長(zhǎng)至 2022 年的 4.6 億aN 電力電子器件市場(chǎng)升溫的主要因素為收入巨大的汽車電子和消費(fèi)增長(zhǎng)，此外，航空航天、軍事及國(guó)防等領(lǐng)域越來(lái)越多地應(yīng)用 GaN 射是其主要推動(dòng)因素。
(a) (b)圖 1-3 GaN 晶格結(jié)構(gòu)示意圖。(a)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)；(b)閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表之一，GaN 具備高禁帶寬度（3.4eV擊穿電場(chǎng)（3.3MV/cm）、高電子飽和速度（2.5 107cm/s）、耐高溫、化學(xué)以及抗輻射等優(yōu)良特性，非常適合應(yīng)用于高頻大功率器件，因此逐漸受多研究者的關(guān)注。表 1-1 列出了幾種常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)，通過(guò)對(duì)以看出 GaN 材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的功率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 材料被i 的理想替代材料。表 1-1 幾種常見(jiàn)半導(dǎo)體的材料參數(shù)[4-5,41]材料 Si GaAs（砷化鎵） 4H-SiC GaN相對(duì)介電常數(shù) 11.9 12.5 10 9.5禁帶寬度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4
本文編號(hào)：2909598
【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁(yè)數(shù)】：74 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
不同半導(dǎo)體材料比導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的理論極限圖
aN 功率器件的比導(dǎo)通電阻與硅基功率器件相比要低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上電阻可以顯著降低器件的導(dǎo)通損耗。AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)可極化產(chǎn)生電子氣（2DEG），這是同為第三代半導(dǎo)體材料 SiC 所不具有的，因 SiC 相比仍有較大的優(yōu)越性。隨著硅基 GaN 異質(zhì)外延技術(shù)日益成熟以與傳統(tǒng)硅基 CMOS 工藝兼容，使得 GaN 器件的成本遠(yuǎn)低于 SiC 器一代移動(dòng)通信技術(shù)等應(yīng)用對(duì)電力電子器件高頻率、寬帶寬、高效率成本的需求。aN 與 SiC 電力電子器件有比較清晰的市場(chǎng)劃分，SiC 器件主要用于高壓工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 功率器件則在 900 V 以下有較大優(yōu)勢(shì)。根戰(zhàn)略咨詢公司 Yole Développement（簡(jiǎn)稱 Yole）2017 年發(fā)布的一份率器件市場(chǎng)規(guī)模將從 2017 年的 2000 萬(wàn)美元增長(zhǎng)至 2022 年的 4.6 億aN 電力電子器件市場(chǎng)升溫的主要因素為收入巨大的汽車電子和消費(fèi)增長(zhǎng)，此外，航空航天、軍事及國(guó)防等領(lǐng)域越來(lái)越多地應(yīng)用 GaN 射是其主要推動(dòng)因素。
(a) (b)圖 1-3 GaN 晶格結(jié)構(gòu)示意圖。(a)纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)；(b)閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表之一，GaN 具備高禁帶寬度（3.4eV擊穿電場(chǎng)（3.3MV/cm）、高電子飽和速度（2.5 107cm/s）、耐高溫、化學(xué)以及抗輻射等優(yōu)良特性，非常適合應(yīng)用于高頻大功率器件，因此逐漸受多研究者的關(guān)注。表 1-1 列出了幾種常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)，通過(guò)對(duì)以看出 GaN 材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的功率應(yīng)用領(lǐng)域，GaN 材料被i 的理想替代材料。表 1-1 幾種常見(jiàn)半導(dǎo)體的材料參數(shù)[4-5,41]材料 Si GaAs（砷化鎵） 4H-SiC GaN相對(duì)介電常數(shù) 11.9 12.5 10 9.5禁帶寬度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4
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