【摘 要】
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无线通讯基站和电能转换等领域对相关电子系统的核心元器件提出了更大功率、更高频率和更高效率的要求。与传统的Si基功率器件相比,宽禁带半导体GaN基功率器件可实现1k W以上的输出功率、1MHz以上的高速开关频率、更大的工作温度范围,且具有更强的抗辐照能力。三元化合物半导体AlGaN作为GaN的延伸材料,具有更宽的禁带和更高的击穿场强,预期将实现更好的电力电子器件特性。基于上述背景本文针对AlGaN基
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无线通讯基站和电能转换等领域对相关电子系统的核心元器件提出了更大功率、更高频率和更高效率的要求。与传统的Si基功率器件相比,宽禁带半导体GaN基功率器件可实现1k W以上的输出功率、1MHz以上的高速开关频率、更大的工作温度范围,且具有更强的抗辐照能力。三元化合物半导体AlGaN作为GaN的延伸材料,具有更宽的禁带和更高的击穿场强,预期将实现更好的电力电子器件特性。基于上述背景本文针对AlGaN基电力电子器件展开研究。通过优化器件结构和制备工艺,获得了具备不同优异性能的AlGaN基器件。取得结果如下:1.用Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N异质结代替传统Al0.2Ga0.8N/GaN异质结,显著提高了增强型高压氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的性能。在Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N异质结上淀积p型GaN实现增强型沟道,通过将GaN沟道替换为Al0.05Ga0.95N沟道使阈值电压从1.1V提高到1.5V,关态击穿电压从270V提高到580V,提高了114%,开关比也达到10~8,验证了氮化物异质结中用AlGaN沟道替换GaN沟道的可行性和优势。2.提出了一种凹槽栅p沟道增强型p-GaN/Al0.2Ga0.8N HEMT器件,来实现与n沟道增强型Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N HEMT的互补器件集成单元。栅下凹槽深度从40nm提高到60nm,器件的阈值电压从-0.9V移动到-3.3V,开关比达到10~5,栅极和漏极的关态漏电密度均低于10-6m A/mm。用钯金合金代替镍金合金作为欧姆接触金属,将接触电阻RC从258Ω·mm降低到了231Ω·mm。这些特性有利于实现低功耗设计,为提高系统的工作频率、效率以及可靠性提供了一种解决思路。3.开展了成本较低的Si基AlGaN沟道异质结和电力电子器件研究。去除Si N/AlN/Al0.05Ga0.95N外延片上的Si N使片上方块电阻从1762Ω/（?）提升到10kΩ/（?）。去除栅下Si N制备出n沟道增强型AlN/Al0.05Ga0.95N HEMT,其阈值电压为0.4V,开关比大于10~8,并且亚阈值摆幅仅有63m V/dec。当栅漏间距LGD从16μm增加到26μm,衬底不接地的器件的关态击穿电压从570V提高至1000V,而当衬底接地时,器件的关态击穿电压仅从490V提高至665V,揭示出Si基AlGaN器件存在纵向的衬底击穿现象,为进一步设计并提高器件耐压特性提供理论支撑。4.提出Al2O3/Si O2双层钝化结构,制备出高性能的n沟道耗尽型AlN/Al0.05Ga0.95N HEMT。阈值电压为-0.6V,开关比大于10~8,并且亚阈值摆幅仅有64m V/dec。变频电容/电导数据显示,双层钝化的Si N/AlN/Al0.05Ga0.95N异质结结构中,陷阱集中分布在导带以下0.309e V～0.327e V范围,相应的态密度为2.17×1013～2.54×1012cm-2e V-1。在衬底不接地条件下,LGD从12μm提高到26μm时,器件的关态击穿电压从675V提升到1428V,在LGD达到32μm时提升至1488V。当器件扩展到栅宽20mm大尺寸时,饱和漏极电流达到6.4A,Baliga品质因数达到1.91×10~8V~2/（Ω·cm~2）,成功制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,以应对实际应用上的耐压挑战。本文循序渐进,从AlGaN替代GaN作为沟道材料的优势研究到AlGaN基电力电子器件的可靠性研究,进而设计并制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,从而保障AlGaN基电力电子器件在航空航天及电力领域的应用。
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