矽基GaN功率開關器件阻斷特性的研究

《矽基GaN功率開關器件阻斷特性的研究》是依託北京大學，由王茂俊擔任負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：矽基GaN功率開關器件阻斷特性的研究
• 項目負責人：王茂俊
• 項目類別：青年科學基金項目
• 依託單位：北京大學

項目摘要

由於優良的材料物理特性，以GaN基高遷移率電晶體（HEMT）為代表的第三代寬禁帶半導體器件，特別是有望實現大規模生產的矽基AlGaN/GaN HEMT器件正成為構建下一代高效率大功率開關器件的理想技術平台。本申請項目以探索矽基GaN HEMT擊穿機制、發展提高器件擊穿電壓新技術為目標，開展矽基GaN HEMT器件阻斷特性的研究，為GaN高壓功率開關器件及電路的研究做技術儲備。主要研究內容包括高性能矽基GaN HEMT的工藝製備、低電場下器件漏電機理的研究、器件擊穿機制的研究、器件耐壓新結構的設計和實現等。本項目申請人一直從事GaN基材料和器件的研究，在GaN HEMT特別是普通襯底上HEMT器件擊穿機制的研究上取得了一定成果並積累了經驗，在此基礎上進一步研究矽基GaN HEMT的阻斷特性。本項目的研究目標和內容均是當前國際上GaN HEMT器件以及功率開關領域的研究熱點。

結題摘要

由於優異的材料特性以及具備大規模低成本生產的潛在能力，矽基GaN功率開關器件成為III族氮化物電子器件以及功率開關領域的研究熱點。但具有較低擊穿電壓的Si襯底可能會限制器件的耐壓；以此同時，為了提高矽襯底器件耐壓在緩衝層中引入的陷阱雜質易於導致耐壓的不穩定。本項目致力於研究矽襯底GaN器件上與阻斷特性相關的器件物理問題。 研究發現Si襯底上器件的擊穿電壓隨著柵漏間距的增加存在飽和的現象，主要原因是在電壓增加之後在(Al)GaN緩衝層和Si之間存在一漏電通道。發現Si襯底GaN HEMT器件的關態漏電流在電應力條件下隨著時間先減小，然後逐漸增加、並最終達到閾值導致器件擊穿，分別對應於擊穿電壓的Walk Out與Walk In。另外，器件的時間相關擊穿特性（TDDB）與器件的柵極偏置狀態有關，當柵極電壓充分負時漏極漏電流可長時間保持穩定，柵極負偏壓接近閾值電壓時擊穿電壓易於發生Walk In。研究表明前者是由於緩衝層中的陷阱態捕獲載流子導致導帶中的電子濃度降低所引起。碳摻雜緩衝層上方非故意摻雜GaN層中未被有效補償的類施主深能級在高電場下的逐步電離引起器件關態耐壓的Walk In。 在研究擊穿機制的同時，研究了對擊穿特性具有重要影響的碳雜質對器件動態導通電阻的影響。提出一種基於軟開關的GaN HEMT器件電流坍塌測試方法，可以有效區分表面和體相關的電流坍塌，發現熱電子注入是導致體相關電流坍塌的主要原因。發現矽襯底上GaN HEMT的表面相關電流坍塌與溫度的關係不明顯，而體相關電流坍塌隨著溫度的升高而減弱，溫度升高將導致熱電子的能量降低，從而進一步證實了熱電子的注入機制。通過變溫測量獲得體相關陷阱態的激活能為0.22eV，提出碳占據Ga位可能是體陷阱的物理形態。 在矽基GaN外延材料上成功研製出在1微安每毫米關態漏電閾值下擊穿電壓超過900V，閾值電壓接近3V，比導通電阻為1.6毫歐厘米平方，功率優值達573兆瓦每平方厘米的增強型功率開關器件；在30微米間距的器件上實現了超過1600V的擊穿電壓，展現了矽基GaN HEMT的優越性能。 以上研究結果為進一步提高矽基GaN HEMT功率開關器件的耐壓及與耐壓密切相關的可靠性問題提供了物理依據，展現了矽基GaN HEMT在功率開關器件領域的巨大潛力。