GaN功率器件开关特性与新结构研究

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GaN功率器件具有高电子迁移率、高耐压、大电流密度等特点。但目前仍存在诸多关键科学问题亟待解决,如:常规GaN HEMT器件在关断状态下,会在栅极出现电场拥挤,导致器件提前击穿;而且目前制作的GaN功率器件开关特性与理论极限有较大差距,未能完全发挥其高频高效的优势。为了解决上述关键科学问题,本文主要围绕器件新结构探索和开关特性提升等方面展开深入研究,取得的主要研究成果如下。首先,提出了一种在栅漏间AlGaN缓冲层内分别插入高K/低K介质使之呈现指状复合介质层的新结构器件(FH-HEMT)。指状复合介质层可以调制沟道电场,进而提高器件的耐压。研究表明,在栅漏距为6μm,缓冲层厚度2μm的情况下,常规AlGaN缓冲层结构器件(A-HEMT)击穿电压为817V,而本文提出的新结构FH-HEMT器件的耐压为1702V,耐压提升高达108%。与此同时FH-HEMT器件的比导通电阻Ron,sp为0.44mΩ·cm~2,功率优值达到了6.58GW/cm~2。与A-HEMT结构相比,不仅导通电阻降低,而且大幅度提升了器件的功率优值。其次,提出了一种漏极下AlGaN缓冲层内引入纵向二极管的新结构器件(VDB-HEMT)。此结构耐压时反向偏置的PN结承受一部分电压,可以降低漏极侧的电场峰值,抬升沟道平均电场。同时还发现缓冲层的泄漏电流也由于PN结的反向偏置而明显减小,更加有利于提高器件的耐压。研究表明,在栅漏距为6μm,缓冲层2μm的情况下,VDB-HEMT器件的击穿电压最高为1505V,与A-HEMT结构相比提高了164%。与此同时VDB-HEMT结构比导通电阻Ron,sp为0.51mΩ·cm~2,功率优值达到了4.44 GW/cm~2。与A-HEMT结构相比,在保持低导通电阻的同时,实现了器件功率优值的明显提升。最后,在对GaN HEMT器件开关特性参数测试结果分析的基础上,通过器件仿真深入研究了开关特性与器件参数之间的关系。测试结果表明,随着温度的升高制备的耗尽型器件的阈值电压发生了正向偏移,器件的开关特性发生了退化。同时发现其动态导通电阻Ron,D随着电压应力及应力时间的增大而增大。进而通过搭建器件-电路混合仿真电路,对VDB-HEMT器件的开关特性进行仿真优化,研究发现当缓冲层Al组分为0.25时VDB-HEMT器件开关速度最高,其上升时间为0.7ns,下降时间为3.83ns(166KHz下),远优于Conv-HEMT器件。
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