氮化镓基浮空复合场板功率器件研究

Nowadays, the developments of the novel power devices with high performance and low power losses have been one of the effective approaches to improve the utilization rate of power energy, to save energy and to reduce energy crisis. A novel field-plated power device, named as GaN-based power device with floating field-plates is studied in this project. And the device theoretical models and the implementation methods are explored. Importance is attached to researches on the device operation mechanisms and the theoretical analytical models, the optimum design of the device structures, and the implementation methods of the power device with floating field-plates. Finally, the two-dimensional fully analytical models and the power device samples with high performance of the power device with floating field-plates are obtained. And a set of theories and methods for the development of the field-plated devices analytical models, with good universality, transplantation and applicability, is developed. The researches in this project will lay the foundation for the development of the novel GaN-based high-breakdown power device, and inject fresh energy to the development of the power electronics technology.

当前，新型高性能、低损耗功率器件的研发已成为提高电能利用率、节约能源、缓解能源危机的有效途径之一。本课题旨在研究一种新型场板功率器件- - GaN基浮空复合场板功率器件，开展器件理论模型和实现方法的探索。重点对器件工作机理和理论解析模型，器件结构优化，以及浮空复合场板功率器件实现方法开展研究，最终得到浮空复合场板功率器件的二维全解析模型和高性能的功率器件样品，并构建一套通用性强、可移植性好和应用性强的场板器件解析建模的方法和理论。本项目研究将为新型GaN基高耐压功率器件的发展奠定基础，为电力电子技术的发展注入新的活力。

本课题主要围绕GaN基浮空复合场板功率器件的理论解析模型和实现方法开展了系统的理论和实验研究。在理论研究方面，基于泊松方程和电磁场相关理论构建了单场板结构和浮空复合场板结构GaN基功率器件的二维全解析理论模型，详细剖析了器件工作机理，获得了器件优化设计方法和规律，并形成一套准确性好、实用性强、通用性强的器件建模方法和理论；开展了漏场板GaN基功率器件正向和反向关断特性研究及肖特基漏复合场板HEMT器件研究，为本课题器件解析模型研究成果在可正向和反向阻断场板器件理论研究领域的推广和应用奠定了基础；提出并研究了一种击穿电压高、工艺简单的T形栅场板HEMT器件，进一步丰富了本课题的理论研究。在实验研究方面，基于器件理论研究结果优化设计了GaN基浮空复合场板功率器件的结构和版图；开展了大输出电流SiN/AlInN/AlN/GaN SiN-FP-MIS-HEMT器件研究，获得了SiN介质淀积优化工艺条件，确保了各场板及其间距的保形覆盖；开展了增强型GaN基功率器件实现方法研究，探索出多种增强型器件研制方法和工艺条件；开展了GaN基功率器件击穿机理和击穿表征方法研究，提出了一种普遍适用于GaN基HEMT器件的更合理、更科学和更有效的击穿表征方法；开展了倾斜栅GaN基HEMT器件研究，优化了栅结构制备工艺，提升了器件可靠性；最后开展了GaN基浮空复合场板功率器件研制，获得了高性能器件样品，研发的典型单浮空场板器件具有良好的直流特性、脉冲特性和频率特性，相比等效场板长度相同的传统场板器件的击穿电压增加26%，场板效率增加33%，且制造工艺简单，非常适合高压大功率应用。本课题的理论研究成果将填补国内外在GaN基高压大功率器件二维全解析模型领域的空白，提供一种可广泛应用于器件设计的实用方法和有效工具，是发展我国具有自主知识产权的器件模型的有益补充；本课题的实验研究成果将为电力电子技术的发展注入新的活力，所研发的高性能器件及工艺实现方法可在电动汽车、电气铁路驱动、新能源发电功率调节系统等领域发挥重要作用，为我国进一步研发具有自主知识产权的高性能功率集成电路奠定一定基础。