氮化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管電荷控制模型與新結(jié)構(gòu).pdf

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）是第三代半導(dǎo)體的典型代表，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HFET）已經(jīng)成為了電力電子行業(yè)快速增長(zhǎng)一個(gè)分支。與傳統(tǒng)的硅功率器件相比，AlGaN/GaN HFET可以實(shí)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(dǎo)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(chǎng)和低導(dǎo)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(yīng)用和推廣。高可靠性的常關(guān)型AlGaN/GaN HFET的制備成為了首要待解決問題。目前，已經(jīng)有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了常關(guān)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(guān)于器件溝道控制的模型和機(jī)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(jī)理問題，具有重要的實(shí)用價(jià)值。
　　本論文圍繞著AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)常關(guān)溝道控制的物理機(jī)理，建立電荷控制模型，提出增強(qiáng)型溝道的新結(jié)構(gòu)

3、。利用控制勢(shì)壘層中的電荷分布，改變勢(shì)壘層中的內(nèi)建勢(shì)，調(diào)制異質(zhì)結(jié)界面處2DEG的濃度，從而達(dá)到形成增強(qiáng)型溝道和提高閾值電壓的目的。本文針對(duì)異質(zhì)結(jié)晶體管中電荷控制模型，展開了創(chuàng)新研究，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
　　第一，基于單異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，提出了單異質(zhì)結(jié)電荷控制模型和新結(jié)構(gòu)。該模型以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)極化基本原理為出發(fā)點(diǎn)，給出了旋轉(zhuǎn)軸極化電荷濃度和2DEG濃度的表達(dá)式，其結(jié)果能與實(shí)驗(yàn)較好地吻合。在單異質(zhì)結(jié)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(guān)系，基于此電荷控制模型，提出了兩種新型常關(guān)溝道異質(zhì)結(jié)器件：混合陽極場(chǎng)控整流器HA-FER和圍柵極異質(zhì)結(jié)晶體管FinHFET。
　　第二，基于雙異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，提出了雙異質(zhì)結(jié)電荷控制模型和新結(jié)構(gòu)。該模型考慮了雙異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層中勢(shì)壘層應(yīng)力弛豫、摻雜離子濃度、陷阱濃度、壓電極化等多種因素對(duì)閾值電壓的影響，分析了無勢(shì)壘層摻雜型、勢(shì)壘層摻雜型、鐵電極化型異質(zhì)結(jié)晶體管的基本工作特性。此

5、外，基于該雙異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層電荷控制模型，提出了兩種新型增強(qiáng)型異質(zhì)結(jié)晶體管，即具有氟離子摻雜介質(zhì)層的MIS-HFET和具有鐵電材料柵極的HFET。研究結(jié)果表明：具有氟離子摻雜介質(zhì)層的Al2O3/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)器件實(shí)現(xiàn)了閾值電壓從－4.8 V到+0.2 V的增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了閾值電壓的增強(qiáng)，其不同柵極勢(shì)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(jié)果能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地吻合。
　　第三，基于多異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)，建立了多異質(zhì)結(jié)電荷控制模型。該電荷控制模型是針對(duì)雙異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘層的CCM進(jìn)行了擴(kuò)展。該模型概括了勢(shì)壘層中極化電荷、摻雜濃度、缺陷陷阱濃度等多種因素對(duì)閾值電壓的影響，其閾值電壓一般表達(dá)式具有普適的特點(diǎn)，為新型增強(qiáng)器件設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　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