硅基AlGaN/GaN HEMT高頻開關(guān)器件研究
發(fā)布時(shí)間：2020-12-11 14:06
氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料,具有高擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率以及較強(qiáng)的抗輻射能力和良好的導(dǎo)熱性能等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。目前在GaN開關(guān)器件的研究與應(yīng)用中取得了喜人的進(jìn)展,但是作為其技術(shù)核心的GaN高頻芯片在研制中還存在著一些問題,尤其是國內(nèi)在低于100 V電壓等級的高頻AlGaN/GaN功率器件的研究與應(yīng)用方面基本處于空白狀態(tài)。因此,本論文的研究工作圍繞Si基高頻AlGaN/GaN HEMT電力電子功率芯片,我們從芯片設(shè)計(jì)和工藝入手,通過設(shè)計(jì)合理的器件結(jié)構(gòu),解決高頻AlGaN/GaN HEMT在工藝中的諸多問題,降低器件的導(dǎo)通電阻和寄生參數(shù),提高芯片的工作頻率和開關(guān)速度,并滿足高擊穿電壓和大電流的需求。本論文的主要內(nèi)容如下:1.AlGaN/GaN MIS-HEMT高頻開關(guān)器件的制備與研究。我們設(shè)計(jì)了不同柵寬、柵長、柵源間距尺寸的器件,不斷優(yōu)化工藝,對器件的直流特性與頻率特性進(jìn)行了比較與分析。以柵長、柵源間距和柵漏間距分別為0.75 μm、1μm和3 μm的不帶場板結(jié)構(gòu)器件為例,其閾值電壓為-4.2V;歐姆接觸電阻為0.3Ω·mm;最大跨導(dǎo)為176mS/mm;飽和電流密度為99...
【文章來源】：杭州電子科技大學(xué)浙江省
【文章頁數(shù)】：66 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ與Ｓｉ的材料特性對比??由于我們研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作電路中主要起到開關(guān)的作用，所以??
Ｈｉｇｈ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ??圖１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ與Ｓｉ的材料特性對比??由于我們研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作電路中主要起到開關(guān)的作用，所以??衡量器件性能的兩個(gè)重要狀態(tài)分別為開態(tài)和關(guān)態(tài)。當(dāng)器件處于開態(tài)時(shí)，一個(gè)重要參數(shù)為??器件的本征導(dǎo)通電阻ＲＯＮ．ＳＰ。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，柵下載流子處于耗盡狀態(tài)，源漏承受較高??電壓，這時(shí)更關(guān)注器件的擊穿電壓ＢＶ?（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?ｖｏｌｔａｇｅ）。圖１．２所７Ｋ為基于三種材??料的器件的擊穿電壓與特征導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線。近年來，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??ＨＥＭＴ電力電子器件具有非常好的性能，有些報(bào)道的器件性能己經(jīng)超過了?Ｓｉ、ＧａＡｓ，??甚至ＳｉＣ材料的理論極限［７＿８］。??１０?ｂ?＇?＇?１?＇?１?＇?￣￣?？?＇?＾??１?／?／／??￡?１?＿?／?４Ｈ－ＳＩＣ?Ｌｉｍｉｔ／／?＿??ｉ?／?／／??／ｊＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??０．１?＾ｉ?…ｉ／Ｚ?．＿??１００?尋?＞?１０００??圖１．２Ｓｉ、ＳｉＣ、和ＧａＮ基器件的擊穿電壓與特征導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線??ＧａＮ基ＨＥＭＴ在局頻開關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在尚頻局效率開關(guān)應(yīng)用、局功率密度、??柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等方面取得了長足的進(jìn)步
六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（簡稱纖鋅礦，ｗｕｒｔｚｉｔｅ）和立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)（ｚｉｎｃ－ｂｌｅｎｄｅ）是ＩＩＩ族??氮化物半導(dǎo)體材料的兩種主要晶體類型。在ＩＩＩ族氮化物半導(dǎo)體器件中，ＧａＮ材料應(yīng)用更??為廣泛，且具有代表性，在討論中我們主要以ＧａＮ材料為例，圖２．１所示為ＧａＮ材料??的兩種主要晶體結(jié)構(gòu)。ＧａＮ材料是一種化合物半導(dǎo)體材料，原子間的化學(xué)鍵既有共價(jià)鍵??成分，也有離子鍵成分，離子鍵成分越多則晶體的離子性越強(qiáng)，越容易形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)。??ＧａＮ材料屬于強(qiáng)離子晶體，因此，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ＧａＮ材料是最為普遍的，而閃鋅礦結(jié)??構(gòu)為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，研宄較少［３７］。??Ｃｊ３１?＾＾０??（ａ）纖鋅礦結(jié)構(gòu)?胃?閃鋅礦結(jié)構(gòu)??圖２．１?ＧａＮ材料的兩種晶體結(jié)構(gòu)［３７Ｉ??在本論文中，我們對ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的研究重點(diǎn)是對其電學(xué)特性的研宄，而ＧａＮ??的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)對ＧａＮ的電學(xué)特性有著關(guān)鍵性的作用。在未有意摻雜的ＧａＮ材??料外延生長中，所生長出來的ＧａＮ材料基本上都是ｎ型。然而ｐ型的ＧａＮ材料及器件??在實(shí)際的生活中也有著非常廣泛的應(yīng)用，例如Ｐ－ＧａＮ的増強(qiáng)型器件，為了制作Ｐ型的??ＧａＮ材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]功率半導(dǎo)體器件在電網(wǎng)中的應(yīng)用及發(fā)展展望[J]. 邱宇峰. 高科技與產(chǎn)業(yè)化. 2017(01)
[2]寬禁帶器件在電動汽車中的研究和應(yīng)用[J]. 董耀文,秦海鴻,付大豐,徐華娟,嚴(yán)仰光. 電源學(xué)報(bào). 2016(04)
[3]GaN高頻開關(guān)電力電子學(xué)的新進(jìn)展[J]. 趙正平. 半導(dǎo)體技術(shù). 2016(01)
[4]氮化鎵干法刻蝕研究進(jìn)展[J]. 王沖,郝躍,馮倩,郭亮良. 半導(dǎo)體技術(shù). 2006(06)
博士論文
[1]微波毫米波GaN HEMT大信號模型研究[D]. 汪昌思.電子科技大學(xué) 2016
碩士論文
[1]一種新型GaN功率開關(guān)器件（GIT）中子輻照效應(yīng)研究[D]. 張得璽.西安電子科技大學(xué) 2015
本文編號：2910661
【文章來源】：杭州電子科技大學(xué)浙江省
【文章頁數(shù)】：66 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ與Ｓｉ的材料特性對比??由于我們研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作電路中主要起到開關(guān)的作用，所以??
Ｈｉｇｈ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ??ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ??圖１．１?ＧａＮ、ＳｉＣ與Ｓｉ的材料特性對比??由于我們研宄的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ?ＨＥＭＴ器件在工作電路中主要起到開關(guān)的作用，所以??衡量器件性能的兩個(gè)重要狀態(tài)分別為開態(tài)和關(guān)態(tài)。當(dāng)器件處于開態(tài)時(shí)，一個(gè)重要參數(shù)為??器件的本征導(dǎo)通電阻ＲＯＮ．ＳＰ。當(dāng)器件關(guān)閉時(shí)，柵下載流子處于耗盡狀態(tài)，源漏承受較高??電壓，這時(shí)更關(guān)注器件的擊穿電壓ＢＶ?（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ?ｖｏｌｔａｇｅ）。圖１．２所７Ｋ為基于三種材??料的器件的擊穿電壓與特征導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線。近年來，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的ＡｌＧａＮ／ＧａＮ??ＨＥＭＴ電力電子器件具有非常好的性能，有些報(bào)道的器件性能己經(jīng)超過了?Ｓｉ、ＧａＡｓ，??甚至ＳｉＣ材料的理論極限［７＿８］。??１０?ｂ?＇?＇?１?＇?１?＇?￣￣?？?＇?＾??１?／?／／??￡?１?＿?／?４Ｈ－ＳＩＣ?Ｌｉｍｉｔ／／?＿??ｉ?／?／／??／ｊＧａＮ?Ｌｉｍｉｔ??０．１?＾ｉ?…ｉ／Ｚ?．＿??１００?尋?＞?１０００??圖１．２Ｓｉ、ＳｉＣ、和ＧａＮ基器件的擊穿電壓與特征導(dǎo)通電阻的關(guān)系曲線??ＧａＮ基ＨＥＭＴ在局頻開關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在尚頻局效率開關(guān)應(yīng)用、局功率密度、??柵極驅(qū)動電路設(shè)計(jì)等方面取得了長足的進(jìn)步
六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（簡稱纖鋅礦，ｗｕｒｔｚｉｔｅ）和立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)（ｚｉｎｃ－ｂｌｅｎｄｅ）是ＩＩＩ族??氮化物半導(dǎo)體材料的兩種主要晶體類型。在ＩＩＩ族氮化物半導(dǎo)體器件中，ＧａＮ材料應(yīng)用更??為廣泛，且具有代表性，在討論中我們主要以ＧａＮ材料為例，圖２．１所示為ＧａＮ材料??的兩種主要晶體結(jié)構(gòu)。ＧａＮ材料是一種化合物半導(dǎo)體材料，原子間的化學(xué)鍵既有共價(jià)鍵??成分，也有離子鍵成分，離子鍵成分越多則晶體的離子性越強(qiáng)，越容易形成纖鋅礦結(jié)構(gòu)。??ＧａＮ材料屬于強(qiáng)離子晶體，因此，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ＧａＮ材料是最為普遍的，而閃鋅礦結(jié)??構(gòu)為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，研宄較少［３７］。??Ｃｊ３１?＾＾０??（ａ）纖鋅礦結(jié)構(gòu)?胃?閃鋅礦結(jié)構(gòu)??圖２．１?ＧａＮ材料的兩種晶體結(jié)構(gòu)［３７Ｉ??在本論文中，我們對ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的研究重點(diǎn)是對其電學(xué)特性的研宄，而ＧａＮ??的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)對ＧａＮ的電學(xué)特性有著關(guān)鍵性的作用。在未有意摻雜的ＧａＮ材??料外延生長中，所生長出來的ＧａＮ材料基本上都是ｎ型。然而ｐ型的ＧａＮ材料及器件??在實(shí)際的生活中也有著非常廣泛的應(yīng)用，例如Ｐ－ＧａＮ的増強(qiáng)型器件，為了制作Ｐ型的??ＧａＮ材料
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]功率半導(dǎo)體器件在電網(wǎng)中的應(yīng)用及發(fā)展展望[J]. 邱宇峰. 高科技與產(chǎn)業(yè)化. 2017(01)
[2]寬禁帶器件在電動汽車中的研究和應(yīng)用[J]. 董耀文,秦海鴻,付大豐,徐華娟,嚴(yán)仰光. 電源學(xué)報(bào). 2016(04)
[3]GaN高頻開關(guān)電力電子學(xué)的新進(jìn)展[J]. 趙正平. 半導(dǎo)體技術(shù). 2016(01)
[4]氮化鎵干法刻蝕研究進(jìn)展[J]. 王沖,郝躍,馮倩,郭亮良. 半導(dǎo)體技術(shù). 2006(06)
博士論文
[1]微波毫米波GaN HEMT大信號模型研究[D]. 汪昌思.電子科技大學(xué) 2016
碩士論文
[1]一種新型GaN功率開關(guān)器件（GIT）中子輻照效應(yīng)研究[D]. 張得璽.西安電子科技大學(xué) 2015
本文編號：2910661
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