GaN基功率器件基礎問題研究

《GaN基功率器件基礎問題研究》是依託西安電子科技大學，由郝躍擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：GaN基功率器件基礎問題研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：郝躍
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

本項目針對GaN基高壓器件和新型增強型器件，開展GaN材料缺陷引起功率器件柵漏電和緩衝層漏電的物理機理、異質結構材料載流子分布和輸運的控制等基礎問題研究，實現低缺陷密度、高電子遷移率、高電子限域GaN基異質結構材料；設計合適的絕緣柵介質材料和絕緣柵結構，將先進的絕緣柵介質生長技術和缺陷表征方法相結合，實現低界面態密度的MIS-HEMT結構。深入分析影響GaN基功率器件擊穿的各種因素，獲得相應的擊穿模型,重點研究浮空複合場板器件結構，獲得具有高擊穿電壓的GaN基功率器件結構。探索p型柵勢壘調製實現增強型器件的機理，研究材料設計、器件結構設計，通過器件製備和工藝最佳化等手段，獲得高閾值電壓的GaN基增強型HEMT器件。最後，研究GaN基功率器件存在的主要可靠性問題並提出改善方案。通過本課題的研究，為我國GaN基功率器件的發展提供理論指導和技術支撐。

結題摘要

採用熱激電流、持續光電導等方法表征並獲得了GaN材料中的缺陷能級信息，得到了缺陷與柵極漏電以及緩衝層漏電之間的關係。研究結果表明在低反偏壓情況下，陷阱輔助的PF發射機制是主要的柵極漏電機制。在緩衝層進行能帶設計和裁剪，提高溝道底部的能帶，增強電子限域特性，減小了緩衝層漏電。開展了基於高k柵介質的GaN基HEMT器件研究。基於變溫技術研究了MIS-HEMT器件的體泄漏電流。提出了基於溫度、電壓、頻率的多變數電導表征技術，解決了氮化鎵基MIS-HEMT器件界面態精確表征的難題。採用Al2O3/AlN疊層柵介質結構，使得絕緣柵HEMT器件界面電荷減小近2個數量級。實現了X波段下，功率密度15.1W/mm，功率附加效率66%的器件。研究了高壓氮化鎵器件結構，採用具有AlGaN背勢壘緩衝層結構的外延材料，研製出擊穿電壓為1960V，特徵通態電阻為4.27mΩ•cm2的GaN基器件。開展了增強型AlGaN/GaN HEMT器件研究。基於高Al組分勢壘層，結合凹槽絕緣柵結構，實現了閾值電壓為1.3V，電流密度為1064mA/mm，跨導峰值為301mS/mm的高性能增強型HEMT器件。同時，針對典型套用場景，分別製備了納米溝道高跨導增強型器件、高頻率增強型器件、新型類存儲增強型器件、以及高壓p-GaN增強型器件，部分性能指標達到國際領先水平。開展了高性能氧化鎵器件研究。製備了水平結構的β-Ga2O肖特基二極體，結合場板結構設計，實現了最大擊穿電場達1.6MV/cm。研製了耗盡型氧化鎵MOSFET，器件輸出飽和電流達到225mA/mm，器件導通電阻約為8mΩ•cm2，器件電流開關比大於1E9，當反向偏置電壓達到800V時，泄漏電流僅為10μA/mm。深入研究了GaN基HEMT器件可靠性。研究了引起表面漏電的主要缺陷的能級信息。研究了典型HEMT器件的逆壓電效應，獲得逆壓電效應相關缺陷的物理信息。採用低溫缺陷表征，研究並確定了近導帶淺能級界面態具有極小的俘獲截面。國際上第一次通過高分辨透射電鏡結合第一性原理證實近導帶界面態主要來源於鎵懸掛鍵與鄰近原子的強相互作用。提出了一種新的Al/SiN新型鈍化技術，可以實現器件泄漏電流降低2個數量級以上，並很好地抑制電流崩塌效應。