增强型p⁃GaN栅HEMT器件的抗辐照性能研究

为研究应用于宇航领域增强型GaN HEMT器件的抗辐照性能,制备了导通电流为20 A、击穿电压为345 V的增强型p-GaN栅HEMT器件,并分别研究了器件抗总剂量效应能力与抗单粒子效应能力。实验结果表明,研制的增强型p-GaN栅HEMT器件在辐照剂量率为1.55 rad(Si)/s、累积总剂量为300 krad(Si)的条件下,器件的阈值电压保持不变,同时器件在传能线密度为37.3 MeV/(mg·cm^(2))的离子辐照下,仍然实现了大于300 V的击穿电压。表明研制的增强型p-GaN栅HEMT器件具有良好的抗辐照能力。

一种p-GaN HEMTs栅电荷表征方法

与Si基金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFETs)的绝缘栅结构不同,p-GaN增强型高电子迁移率晶体管(HEMTs)的栅极结构为pn结,其在较大正向电压下处于导通状态,漏电导较大。传统栅电荷测试方法假设栅极注入电流全部存储为栅电荷,因此不适用于p-GaN HEMTs器件,否则会严重高估数值。鉴于此,基于栅电荷积累的基本过程,提出了利用动态电容法来减小漏电流影响来提取p-GaN E-HEMT的栅电荷参数。结果表明,该方法能够得到更理想的栅电荷米勒平台和特性曲线,结果更符合实际,具有重要的应用价值。

P-GaN栅结构GaN基HEMT器件研究进展

增强型氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)是高频高功率器件与开关器件领域的研究热点,P-GaN栅技术因具备制备工艺简单、可控且工艺重复性好等优势而成为目前最常用且唯一实现商用的GaN基增强型器件制备方法。首先,概述了当前制约P-GaN栅结构GaN基HEMT器件发展的首要问题,从器件结构与器件制备工艺这2个角度,综述了其性能优化举措方面的最新研究进展。然后,通过对研究进展的分析,总结了当前研究工作面临的挑战以及解决方法。最后,对未来的发展前景、发展方向进行了展望。

1400 V/240 mΩ增强型硅基p-GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件

基于硅基p-GaN/AlGaN/GaN异质结材料结构,研制了一款横向结构的高压增强型GaN高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)器件。通过采用自对准栅刻蚀与损伤修复技术以及低温无金欧姆合金工艺实现了较低的导通电阻,并借助于叠层介质钝化和多场板峰值抑制技术提升了器件的击穿特性。测试结果表明,所研制GaN器件的阈值电压为1.95 V(V_(GS)=V_(DS),IDS=0.01 mA/mm),导通电阻为240 mΩ(V_(GS)=6 V,V_(DS)=0.5 V),击穿电压高于1400 V(V_(GS)=0 V,IDS=1μA/mm),彰显了硅基p-GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件在1200 V等级高压应用领域的潜力。

p-GaN栅结构GaN HEMT的场板结构研究

对具有不同的栅极场板结构的p-GaN栅高迁移率晶体管(HEMT)器件的性能进行了比较,利用半导体器件仿真工具Synopsys TCAD对器件电学特性进行了仿真。仿真结果表明,具有p-GaN栅的GaN HEMT器件阈值电压为1.5 V。采用栅极场板能缓解电场的集中程度,当场板长度为5μm时,器件击穿电压达到1 100 V。间断型栅极场板能在场板间隙中产生新的电场峰值,更充分地利用漂移区耐压,器件的击穿电压可达到1 271 V。栅极场板与AlGaN势垒层的距离影响场板对漂移区电场的调控作用,当栅极场板下方介质层厚度为0.24μm时,器件的击穿电压可达1 255 V。

干法刻蚀和氢等离子体处理制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT特性

增强型p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅与源漏之间的沟道特性对器件性能具有重要的影响。在同一晶圆衬底上,采用干法刻蚀和氢等离子体处理栅与源、漏之间的p-GaN,制备增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT。对器件静态、动态特性和栅极漏电特性进行研究,采用两种方法制备的器件均具有较高的击穿电压(>850 V@10μA/mm)。通过氢等离子体处理制备的器件的方块电阻较大,导致输出电流密度较低,在动态特性和栅极漏电方面具有明显的优势,氢等离子体处理技术提高了界面态的缺陷激活能,从而实现了较低的栅极反向漏电。

具有阻挡层的H等离子体处理增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT研究

采用H等离子体处理p-GaN盖帽层来制备p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).在p-GaN层表面上先沉积2 nm的Al_(2)O_(3)薄膜,以减少H等离子体注入p-GaN时对表面造成的损伤.经研究表明沉积Al_(2)O_(3)阻挡层的器件栅极反向泄漏电流降低了一个数量级,开关比提高了约3倍.由于栅极泄露电流的减小,关态击穿电压从410 V提高到780 V.针对栅极反向泄漏减小的现象,进行了变温I_(G)-V_(G)测试,验证了栅极反向泄漏电流的主导机制是二维变程跳跃(Two-dimensional variable range hopping,2D-VRH)模型.分析了减小栅极反向电流的原因是由于Al_(2)O_(3)阻挡层改变了HR-GaN的表面态,使陷阱能级的活化能升高.此外,器件动态特性也表现出更稳定的趋势,这是Al_(2)O_(3)薄膜阻挡过多的H等离子体的注入,使AlGaN势垒和沟道陷阱态数量减少,电流崩塌效应减弱.

p-GaN HEMT器件动态栅应力下的性能退化机理

为了研究p型栅氮化镓高电子迁移率晶体管(p-GaN HEMT)在动态栅应力下的电学特性退化机理,设计了一种双管控制快速切换测试电路,在施加动态栅应力后300 ns内快速测量器件的导通电阻,并进行了对比实验和仿真分析.结果表明,在施加300 s有效动态栅应力后,器件的阈值电压基本保持不变,而导通电阻随应力施加时间、频率的增大呈明显增加趋势,且退化率最高达到10.82%.在器件的开启、关断阶段,空穴热载流子会注入到沟道层,最终导致器件导通电阻的退化;但是在导通持续、关断持续阶段由于没有热载流子产生,该应力下器件电学参数保持稳定.综上,器件导通电阻在动态栅应力下的退化主要是由开启、关断阶段的空穴热载流子注入引起的.

GaN器件辐照效应与LDO电路的单粒子敏感点协同设计研究

创新地开展p型栅GaN器件的单粒子辐照与建模研究,提取的单粒子激励电流被加载用于全GaN的低压差线性稳压器(LDO)稳压电路的单粒子设计中,获得了该电路单粒子敏感节点,最终得到该节点在重载状态与轻载状态时对应的单粒子瞬态(SET)响应分别为500 mV/60 ns,1210 mV/60 ns。上述研究建立起GaN器件-全GaN基电路的T-CAD/SPICE单粒子效应协同设计方法。

Si基超薄势垒InAlN/GaN HEMT开关器件小信号模型

为了更好地表征Si基超薄InAlN/GaN HEMT开关器件的特性和开发更精确的开关电路模型,基于0.25μm HEMT工艺制备了不同栅极电阻的开关器件,提出了附加10 kΩ栅极电阻的器件结构,并对开关器件进行了小信号模型分析。采用传统的去嵌结构提取了开关器件的寄生电容、电感和电阻参数来得到相应的本征参数。采用误差因子评估模型的准确度,结果表明模型拟合和实测的S参数基本吻合。最后将模型应用在Ku波段单刀双掷(SPDT)开关电路的设计中,实测的开启状态下该电路的插入损耗小于2.28 dB,输入回波损耗大于10 dB,输出回波损耗大于12 dB;关断状态下其隔离度大于36.54 dB。所提出的Si基InAlN/GaN HEMT模型可以为Si基HEMT的电路设计和集成提供一定的理论指导。

增强型AlGaN/GaN HEMT势垒层优化设计

为研究Al_xGa_(1-x)N势垒层的厚度和Al组分变化对增强型HEMT器件电学特性的影响,文中使用ATLAS软件,利用二元有限元方法,设计了带AlGaN缓冲层的P-GaN栅增强型AlGaN/GaN HEMT的基本结构,提取了器件势垒层厚度和Al组分渐变时的电学特性,仿真结果得出器件的势垒层厚度范围为取15~20 nm,Al组分范围取0.2~0.25时器件特性最优。

肖特基型p-GaN栅极电致发光研究

制造肖特基型Ni/p-GaN/AlGaN/GaN结构的p-GaN栅极器件,并研究该器件在不同温度与正向偏压下的电致发光现象.当栅极偏压大于4 V时,可以观测到源自p-GaN层的电致发光;当栅极偏压大于6 V时,可以观测到源自沟道层的氮化镓带边发光;当温度升高时,电致发光的强度增加.电致发光光谱随偏压及温度的演变过程,揭示了p-GaN栅结构中电子和空穴的非对称性注入过程,以及Ni/p-GaN界面处的热致空穴注入增强效应.研究有助于理解和提高p-GaN栅功率器件的稳定性和可靠性.

增强型GaN HEMT器件的实现方法与研究进展

考虑到实际应用对可靠性、设计成本及能耗的要求,增强型GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件比传统耗尽型GaN HEMT器件优势更显著。目前有许多方法可以实现增强型GaN HEMT器件,如使用p型栅技术、凹栅结构、共源共栅(Cascode)结构、氟离子处理法、薄势垒AlGaN层以及它们的改进结构等。分别对使用以上方法制备的增强型GaN HEMT器件进行了综述,并对增强型GaN HEMT器件的最新研究进展进行了总结,探索未来增强型GaN HEMT器件的发展方向。

基于p-SnO帽层栅的高阈值增强型AlGaN/GaNHEMTs

目前,p-GaN帽层技术是实现增强型GaN基HEMT的主流商用技术,但Mg掺杂难激活以及刻蚀损伤等因素限制了器件性能的进一步提升,因此高性能、低成本的增强型帽层技术具有重要的研究意义.本文采用p型氧化亚锡(p-SnO)代替p-GaN作为栅帽层引入AlGaN/GaN HEMT,并通过Silvaco器件仿真和实验验证两方面系统研究了器件的电学性能.仿真结果显示,通过简单改变p-SnO的厚度(50-200 nm)或掺杂浓度(3×10^(17)-3×10^(18)cm^(-3)),可以实现器件阈值电压在0-10 V范围内连续可调,同时器件的漏极电流密度超过120 mA mm^(-1),栅击穿和器件击穿电压分别达到7.5和2470 V.在此基础上,我们实验制备了基于磁控溅射p-SnO帽层的AlGaN/GaN HEMT,未经优化的器件测得了1 V的阈值电压、4.2 V的栅击穿电压和420 V的器件击穿电压,证实了p-SnO薄膜作为增强型GaN基HEMT栅帽层的应用潜力,为进一步提升增强型AlGaN/GaN HEMT性能,同时降低成本奠定了基础.