GaN基电力电子器件新结构研究

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以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料因其禁带宽度大(~3.4eV)、临界击穿场强高(~3.3×106V/cm)、电子饱和速度大(~2.7×107cm/s)、热导率高(~2W/cm·K)等优势,使之在电力电子器件设计与制造领域展现出了较大的优势,并有望成为在600V~1200V中等电压领域替代传统硅(Si)基器件的理想材料。功率开关管是构成电力电子系统的核心器件,设计一种具有高关态耐压、低导通电阻、高开关速度且具有逆导功能的GaN功率开关管具有较大的实际应用价值。本文提出一种高性能GaN逆导功率开关管,主要内容如下:  (1)提出一种具有分立栅结构特征的纵向逆导GaN功率开关管(A Split Gate Vertical GaN Power Transistor with Intrinsic Reverse Conduction,RCVFET)。RCVFET的主要特征为:1、逆导通路与正导通路相分离,该器件在逆导工作时,利用源极肖特基结导通电流,使导通压降大幅降低,相较于利用体 PN 结导通电流的 GaN纵向开关管和利用2DEG沟道进行逆导的GaN横向开关管,该器件结构不仅能够有效降低逆导导通压降与功耗,而且能极大地缩减反向恢复时间,耐压为800V时,其反向恢复时间为13ns,存储电荷为47nC。2、肖特基结位于两分立栅极之间,并与源极短接,与参考器件相比,其栅极面积大幅减少,栅电荷 QGD和栅极电流分别下降为参考器件的25%和28%,开关时间降低为参考器件的80%,关暂态功耗降低为参考器件的45%。3、该器件的体PN结与肖特基结并联,场板设置于肖特基结两侧,关态耐压时,P型基区屏蔽了大部分指向肖特基结的电场,减少了肖特基结的分压,同时肖特基源极场板降低了肖特基结边缘的峰值电场,抑制了肖特基结的反向漏电。4、采用P型GaN作为栅极,栅极下方引入AlGaN势垒层凹槽,通过调节势垒层凹槽深度实现对该器件阈值电压的调控。借助半导体器件仿真工具Sentaurus-TCAD进行理论计算,当凹槽深度在4nm~10nm范围内变化时,可在0.7V~2.1V范围内调控阈值电压。当JFET区宽度LJFET=5.0μm,肖特基源极场板长度LFP=1.0μm时,器件关态耐压BV=1800V,比导通电阻Ron=0.98mΩ·cm2。  (2)讨论器件LSS,LJFET等关键参数的变化对器件特性所造成的影响。论述该器件所存在的寄生PNP三极管效应。利用Sentaurus-TCAD协同仿真表征该器件的反向恢复特性和栅电荷大小。搭建800V转380V直流降压变换电路(DC-DC Buck Converter)模型,表征该器件的开关速度和关暂态功耗并与参考器件(GaN CVFET)对比。设计并提出“先栅”工艺流程以供参考。
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