论文部分内容阅读
移动电子产品、智能家电产品、光伏电站、数据中心、电动汽车等对高效率、大功率及紧凑型电源提出了越来越迫切的需求。以氮化镓（GaN）、碳化硅（Si C）为代表的第三代半导体电力电子器件因其高速度、高效率、大功率的优势,近年来备受产业界和学术界的高度关注。由于GaN材料具有高击穿场强、高电子漂移速度以及可形成高密度高迁移率二维电子气等优良特性,成为制造耐高压（大功率）、低导通电阻（高效率）的重要新技术,近年来吸引了广大研究人员及企业的目光。当前最受关注的GaN电力电子器件主要是GaN HEMT功率开关器件和GaN肖特基二极管。论文主要围绕当前主流的GaN基二极管结构即AlGaN/GaN肖特基势垒二极管开展研究,主要研究目标是不断优化器件结构和工艺,降低器件在正偏压工作时的开启电压、导通电阻和反偏压工作时的泄漏电流以及高压环境下的耐压能力等,不断降低器件的功率耗散。为此,本文重点研究了具有凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD器件,通过优化凹槽刻蚀深度和阳极金属材料来降低器件的耗散功率。本文主要研究成果如下:（1）仿真研究了不同凹槽刻蚀深度对器件性能的影响,仿真结果表明,器件开启电压随着刻蚀深度的增大逐渐降低,导通电流则随着刻蚀深度的增大而增大,将2DEG通道完全刻蚀的35nm凹槽刻蚀深度器件具有最佳的电学特性;采用Ni阳极金属制备出完全刻蚀凹槽阳极结构和常规未刻蚀结构器件,结果显示完全刻蚀凹槽阳极结构器件相较常规未刻蚀器件开启电压从1.77V降低至0.74V,3V时导通电流增大4.27倍,反向泄漏电流降低一个多数量级,变化趋势与仿真规律相符。分析表明完全刻蚀凹槽阳极结构器件由于阳极金属与二维电子气沟道层直接接触,肖特基结处呈现很窄的三角型势垒,相较于常规器件肖特基结处较宽的梯形势垒,更易于2DEG隧穿电流形成,从而达到了降低器件开启电压的效果。（2）对三种不同金属阳极器件进行silvaco仿真,结果表明开启电压CrW>Ni,反向漏电Cr>W>Ni。采用相同工艺条件制备三种不同金属阳极器,结果表明Cr阳极器件开启电压为0.17V,3V时器件导通电流276.92 m A/mm,微分导通电阻为6.83?mm,反向漏电7.08 m A/mm;W阳极器件开启电压为0.47V,3V时器件导通电流276.42 m A/mm,微分导通电阻为6.39?mm,反向漏电3.48×10-4 m A/mm;Ni阳极器件开启电压为0.98V,3V时器件导通电流262.32m A/mm,微分导通电阻为7.49?mm,反向漏电6.07×10-6 m A/mm,结果与仿真规律吻合。由实验结果可知器件的相较与常规的器件阳极金属Ni,金属W能够降低器件的开启电压,但会使反向漏电增大近两个量级,金属Cr能够获得最低的开启电压,但整流特性较差反向漏电极大。（3）研究了三种金属分别与GaN材料形成肖特基接触的情况,设计并制备样品进行XPS测试,结果表明Cr与GaN材料形成的肖特基接触势垒高度最低仅为0.29e V,W、Ni与GaN材料形成的肖特基势垒高度分别为0.69e V和0.96e V,与通过对数坐标下I-V曲线拟合得到的势垒高度接近,验证了阳极凹槽侧壁为器件工作的主要电流通道。（4）最后我们对W阳极器件的反向漏电机制进行分析,在0到-1V偏置电压下器件主要的漏电机制为热电子发射模型;在-1到-5V偏置电压下器件漏电由Frenkel-Poole发射机制起主导作用,提取得到陷阱能级位置0.262e V;在-5V以上的偏置电压下器件漏电主要由陷阱辅助隧穿模型主导。