氮化鎵異質結晶體管電荷控制模型與新結構.pdf

1、寬禁帶半導體材料氮化鎵（GaN）是第三代半導體的典型代表，AlGaN/GaN異質結場效應晶體管（HFET）已經成為了電力電子行業(yè)快速增長一個分支。與傳統(tǒng)的硅功率器件相比，AlGaN/GaN HFET可以實現(xiàn)在大功率、高溫和輻照等惡劣條件下工作，并可獲得更低導通功耗，成為了硅器件電力電子變換系統(tǒng)中理想可替代器件之一。雖然AlGaN/GaN HFET能夠提供高擊穿電場和低導通電阻，但是常規(guī)AlGaN/GaN HFET為耗盡型器件，具有常開特

2、性，這阻礙了HFET在功率器件中的應用和推廣。高可靠性的常關型AlGaN/GaN HFET的制備成為了首要待解決問題。目前，已經有多種技術實現(xiàn)了常關溝道的控制，例如凹槽柵、P-GaN柵、氟（F）離子注入、選擇性外延等。但是關于器件溝道控制的模型和機理，仍然缺乏系統(tǒng)的研究，所以解決器件的溝道控制基本機理問題，具有重要的實用價值。
　　本論文圍繞著AlGaN/GaN異質結常關溝道控制的物理機理，建立電荷控制模型，提出增強型溝道的新結構

3、。利用控制勢壘層中的電荷分布，改變勢壘層中的內建勢，調制異質結界面處2DEG的濃度，從而達到形成增強型溝道和提高閾值電壓的目的。本文針對異質結晶體管中電荷控制模型，展開了創(chuàng)新研究，主要創(chuàng)新點如下：
　　第一，基于單異質結勢壘層結構，提出了單異質結電荷控制模型和新結構。該模型以AlGaN/GaN異質結極化基本原理為出發(fā)點，給出了旋轉軸極化電荷濃度和2DEG濃度的表達式，其結果能與實驗較好地吻合。在單異質結電荷控制模型中，引入了臨界厚

4、度和弛豫因子，并研究了臨界厚度和弛豫因子與器件閾值電壓的關系，基于此電荷控制模型，提出了兩種新型常關溝道異質結器件：混合陽極場控整流器HA-FER和圍柵極異質結晶體管FinHFET。
　　第二，基于雙異質結勢壘層結構，提出了雙異質結電荷控制模型和新結構。該模型考慮了雙異質結勢壘層中勢壘層應力弛豫、摻雜離子濃度、陷阱濃度、壓電極化等多種因素對閾值電壓的影響，分析了無勢壘層摻雜型、勢壘層摻雜型、鐵電極化型異質結晶體管的基本工作特性。此

5、外，基于該雙異質結勢壘層電荷控制模型，提出了兩種新型增強型異質結晶體管，即具有氟離子摻雜介質層的MIS-HFET和具有鐵電材料柵極的HFET。研究結果表明：具有氟離子摻雜介質層的Al2O3/AlGaN/GaN異質結器件實現(xiàn)了閾值電壓從－4.8 V到+0.2 V的增強，實驗結果充分驗證了電荷控制模型的基本原理；鐵電材料柵極的LiNdO3/Al0.25Ga0.75N/GaN HFET實現(xiàn)了閾值電壓的增強，其不同柵極勢壘層厚度下獲得的閾值電壓

6、分別為－1.1 V、－2.1 V和－3.9 V，理論結果能與實驗結果很好地吻合。
　　第三，基于多異質結勢壘層結構，建立了多異質結電荷控制模型。該電荷控制模型是針對雙異質結勢壘層的CCM進行了擴展。該模型概括了勢壘層中極化電荷、摻雜濃度、缺陷陷阱濃度等多種因素對閾值電壓的影響，其閾值電壓一般表達式具有普適的特點，為新型增強器件設計提供了理論依據。
　　第四，基于電荷控制模型，提出了具有雙向阻斷能力、低正向壓降和低功耗的集成A