硅基GaN功率开关器件阻断特性的研究

Wide band gap GaN-based high electron mobility transistors, especially AlGaN/GaN HEMT on silicon substrate is emerging as a promising technology platform to build high-efficiency and compact high-voltage power switches owing to the superior properties of the GaN-based materials and foreseeable high-volume production on large diameter silicon substrate. The main work of this application is to study the blocking characteristics of GaN HEMT on silicon substrate, aiming to reveal the breakdown mechanism of GaN HEMT on Si and develop the corresponding technology to boost the breakdown voltage of the device. The research points include: fabrication of high performance GaN HEMT on silicon substrate, leakage mechanism of the device at low electric field, breakdown mechanism of the device, new structures to enhance the breakdown voltage, etc. The applicant of this project has been engaged in research of GaN based materials and devices. He has good experience in device physics and technology of GaN-based HEMT and got some achievement on the breakdown mechanism of GaN HEMT on conventional substrate. The application is an extension of his previous work, which focus on the blocking characteristics of GaN HEMT on silicon substrate. The target and content of the application are the hot area in research on GaN-based HEMT and power switch devices.

由于优良的材料物理特性，以GaN基高迁移率晶体管（HEMT）为代表的第三代宽禁带半导体器件，特别是有望实现大规模生产的硅基AlGaN/GaN HEMT器件正成为构建下一代高效率大功率开关器件的理想技术平台。本申请项目以探索硅基GaN HEMT击穿机制、发展提高器件击穿电压新技术为目标，开展硅基GaN HEMT器件阻断特性的研究，为GaN高压功率开关器件及电路的研究做技术储备。主要研究内容包括高性能硅基GaN HEMT的工艺制备、低电场下器件漏电机理的研究、器件击穿机制的研究、器件耐压新结构的设计和实现等。本项目申请人一直从事GaN基材料和器件的研究，在GaN HEMT特别是普通衬底上HEMT器件击穿机制的研究上取得了一定成果并积累了经验，在此基础上进一步研究硅基GaN HEMT的阻断特性。本项目的研究目标和内容均是当前国际上GaN HEMT器件以及功率开关领域的研究热点。

由于优异的材料特性以及具备大规模低成本生产的潜在能力，硅基GaN功率开关器件成为III族氮化物电子器件以及功率开关领域的研究热点。但具有较低击穿电压的Si衬底可能会限制器件的耐压；以此同时，为了提高硅衬底器件耐压在缓冲层中引入的陷阱杂质易于导致耐压的不稳定。本项目致力于研究硅衬底GaN器件上与阻断特性相关的器件物理问题。.研究发现Si衬底上器件的击穿电压随着栅漏间距的增加存在饱和的现象，主要原因是在电压增加之后在(Al)GaN缓冲层和Si之间存在一漏电通道。发现Si衬底GaN HEMT器件的关态漏电流在电应力条件下随着时间先减小，然后逐渐增加、并最终达到阈值导致器件击穿，分别对应于击穿电压的Walk Out与Walk In。另外，器件的时间相关击穿特性（TDDB）与器件的栅极偏置状态有关，当栅极电压充分负时漏极漏电流可长时间保持稳定，栅极负偏压接近阈值电压时击穿电压易于发生Walk In。研究表明前者是由于缓冲层中的陷阱态捕获载流子导致导带中的电子浓度降低所引起。碳掺杂缓冲层上方非故意掺杂GaN层中未被有效补偿的类施主深能级在高电场下的逐步电离引起器件关态耐压的Walk In。.在研究击穿机制的同时，研究了对击穿特性具有重要影响的碳杂质对器件动态导通电阻的影响。提出一种基于软开关的GaN HEMT器件电流坍塌测试方法，可以有效区分表面和体相关的电流坍塌，发现热电子注入是导致体相关电流坍塌的主要原因。发现硅衬底上GaN HEMT的表面相关电流坍塌与温度的关系不明显，而体相关电流坍塌随着温度的升高而减弱，温度升高将导致热电子的能量降低，从而进一步证实了热电子的注入机制。通过变温测量获得体相关陷阱态的激活能为0.22eV，提出碳占据Ga位可能是体陷阱的物理形态。.在硅基GaN外延材料上成功研制出在1微安每毫米关态漏电阈值下击穿电压超过900V，阈值电压接近3V，比导通电阻为1.6毫欧厘米平方，功率优值达573兆瓦每平方厘米的增强型功率开关器件；在30微米间距的器件上实现了超过1600V的击穿电压，展现了硅基GaN HEMT的优越性能。.以上研究结果为进一步提高硅基GaN HEMT功率开关器件的耐压及与耐压密切相关的可靠性问题提供了物理依据，展现了硅基GaN HEMT在功率开关器件领域的巨大潜力。