具有均匀凹槽势垒结构的横向AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管

为了改善传统AlGaN/GaN HEMT器件的表面电场、温度分布,提升器件击穿电压和稳定性,提出了一种具有均匀凹槽势垒(UGB)的新型AlGaN/GaN HEMT器件结构。UGB-AlGaN/GaN HEMT结构通过在栅电极和漏电极之间引入均匀分布的凹槽AlGaN势垒,降低了AlGaN层极化强度,导致沟道2DEG浓度下降,形成低浓度的2DEG区域,使器件沟道2DEG分布由均匀分布变成凹槽台阶状分布,从而调节器件的表面电场。利用电场调制效应在凹槽右侧形成新的电场峰值,有效降低栅极边缘的高峰电场。同时,优化器件沟道表面温度分布,使UGB-AlGaN/GaN HEMT表面温度分布更均匀。Silvaco TCAD仿真结果表明,器件在关态漏极高压下,均匀凹槽AlGaN势垒能够调节HEMT器件的表面电场分布,从而保证了栅电极与漏电极距离为10μm时UGB-AlGaN/GaN HEMT器件能够达到821 V的击穿电压,是常规器件击穿电压(260 V)的3.1倍。同时,UGB-AlGaN/GaN HEMT器件的特征导通电阻仅为0.87 mΩ·cm^(-2),因此获得了高达772 MW·cm^(-2)的品质因数。基于新型均匀凹槽势垒结构的HEMT器件具有较高击穿电压,同时保持较低的特征导通电阻及良好的温度特性,这使得该结构在高功率电子元器件领域有很好的应用前景。

一种具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT结构

针对AlGaN/GaN HEMT器件存在的GaN缓冲层漏电和栅极漏端处电场集中效应导致器件耐压性能不高,无法完全发挥GaN材料高击穿电压优势的问题,提出了一种具有极化调制层的AlGaN/GaN HEMT器件结构。该结构主要有2个特点:一是缓冲层材料用禁带宽度更大的Al_(0.05)Ga_(0.95) N代替GaN,以减小缓冲层漏电,提高击穿电压;其次是在栅漏间势垒层上外延一层极化调制层,该极化调制层由Al组分沿材料生长方向线性降低的Al_(x)Ga_(1-x)N(0<x<0.26)材料构成。根据极化掺杂理论,Al组分逆向渐变的AlGaN材料因极化电荷不平衡会在体内诱导产生空穴。极化调制层的空穴在器件反向关断时有助于缓解栅极边沿电场集中,优化栅漏间电场分布,从而提升器件耐压能力。基于功率器件优值FOM标准,利用Sentaurus TCAD软件对提出结构进行模拟验证。实验结果表明,所提出结构的击穿电压为645 V,比导通电阻为1.09 mΩ·cm^(2),与常规双异质结器件结构相比,击穿电压提高了339%,而比导通电阻仅增加了0.38 mΩ·cm^(2),FOM值达到了382 MW·cm^(-2)。