关键词：
氮化镓
电力电子器件
陷阱
AlGaN沟道
欧姆/肖特基混合漏
背势垒
常关型
氮化铝成核层
p型Si衬底
p型SOI衬底
漏电机理
摘要：
由于在开关速度、转换效率和开关损耗等方面表现卓越,GaN基电力电子器件的商业化应用越来越广泛。但是,目前的商用GaN基电力电子器件的额定电压均低于650V,因此,国际上提出并报道了很多技术手段,如基于GaN自支撑衬底和多晶AlN衬底的外延技术,用于提高器件击穿电压,扩展其应用范围。但是,如何在提高击穿电压的同时,保持较低的关态漏电以及导通电阻仍然是目前面临的最大困难之一。高压下热效应带来的可靠性问题以及材料中的陷阱对器件电学特性的影响均需要深入研究。本文基于前人的研究成果,首先采用AlGaN/GaN/AlGaN双异质结用于改善器件的击穿特性以及高温特性。相比于AlGaN/GaN单异质结器件,双异质结结构具有更好的载流子限域性,减小了缓冲层漏电。但是其缓冲层和背势垒层的结晶质量可能会恶化,因此,在提升双异质结材料结晶质量的同时,需要深入分析材料中的陷阱对器件电性的影响。众所周知,电容-频率和电导-频率测试技术已经广泛地应用在三五族异质结的陷阱态分析中。但是,目前对于双异质结器件中的陷阱态在高温下的电性问题,还没有进行系统的研究和报道。依据现有的AlGaN/GaN/AlGaN双异质结结构,如何在提高击穿电压的同时,抑制其关态漏电,保证较低的关态功率损耗,也是本文重点解决的问题之一。为了保持较低的关态损耗,对于击穿电压在1000V以上的器件,通常采用1μA/mm的关态漏电作为器件击穿的判定依据。但是,目前极少可以实现1500V以上击穿电压的同时,又保持1μA/mm以下的关态漏电。相比于GaN材料,AlGaN具有更高的本征击穿场强,因此,AlGaN沟道HEMTs器件具有极大的潜力进一步提升器件的击穿电压,扩展GaN基电力电子器件在高压领域的应用范围。但是,AlGaN材料和异质衬底之间存在更严重的晶格失配,很难获得具有高结晶质量的高Al组分AlGaN沟道异质外延材料。因此,受外延材料结晶质量的限制,器件的击穿特性并没有得到大幅改善,其击穿场强远远低于理论值。到目前为止,国际上还没有报道过击穿电压在2000V以上的AlGaN沟道HEMTs器件。由于GaN材料可外延在直径高达200mm的硅衬底上,同时可采用CMOS兼容的器件制备工艺,使得成本大大降低,因此,硅基GaN成为目前最适合商业化应用的技术之一。考虑到电力电子系统对常关型器件的需求,本文同时研究了常关型硅基GaN器件。由于GaN和Si之间存在较严重的晶格失配和热失配,因此,硅基GaN技术仍面临较大挑战。外延生长初始的AlN成核层对AlGaN/GaN异质结的结晶质量起着决定作用,在MOCVD外延生长过程中,较高生长温度使得成核层中的Al原子作为受主扩散到Si衬底中高达50-100nm,在界面处形成的p+Si将成为一个漏电通道,严重地影响了器件的输运和击穿特性。另外,由于SOI衬底可实现GaN单片集成,因此,基于SOI衬底的GaN外延技术在电力电子系统中越来越具有吸引力。但是,由于应力不均匀以及其他相关因素的影响,SOI衬底中的Si器件层会表现出与硅体材料衬底不一样的问题。因此,深入研究SOI衬底中Si器件层的陷阱状态、陷阱对反型层的形成以及对SOI衬底上GaN器件漏电机理的影响极为重要。基于以上问题,本文首先研究了单异质结和双异质结器件中陷阱态的高温行为以及其对器件漏电的影响。然后,制备了高压AlGaN沟道HEMTs器件以及高性能AlGaN/GaN/AlGaN双异质结器件。随后,基于蓝宝石衬底上的研究成果和p-GaN技术,在硅衬底上制备了常关型p-GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN和p-GaN/Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N器件,并深入研究了p-Si和p-SOI衬底上AlN成核层的漏电机理。详细的研究内容以及成果如下:1.首先介绍了用于表征器件陷阱态的电容-频率和电导-频率分析技术。采用该技术,在单异质结中探测到一种快态陷阱,而在双异质结器件中探测到两种陷阱态:快态和慢态陷阱。而且随着沟道层厚度的减小,双异质结器件显示出更深的陷阱能级。在14nm沟道层厚度的双异质结器件中,测得其室温下的快态陷阱分布在0.273eV0.277 eV能级处,其态密度从4.6×10～122 cm-2eV-1增加到1.9×10～133 cm-2eV-1,慢态陷阱分布在0.384 eV0.423 eV能级处,其态密度从2.4×10～133 cm-2eV-1减少到8.7×1012cm-2eV-1。相比于单异质结器件,双异质结器件中的深能级陷阱在栅漏电方面起到抑制作用。随着测试温度的升高,可以探测到更深能级的陷阱,而在双异质结器件中,随测试温度升高,探测到的陷阱能级依然深于单异质结器件,这种现象说明了双异质结在抑制高温栅漏电方面具有较大优势。2.设计了一种AlGaN沟道HEMTs,通过结合新
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