动态过程中GaN HEMT器件击穿特性研究.pdf

摘 要 摘 要 GaN 基高电子迁移率晶体管具有耐高压、耐高温、高功率密度、工作频率高 等特点，是具有前景的电力电子器件之一。自GaN HEMTs 诞生以来，经过近 30 年的发展，出现了商用化产品并成功应用于消费电子领域。肖特基型P-GaN Gate HEMTs 是当今业界商用增强型器件的解决方案之一，但因其复杂的 P- GaN/AlGaN/GaN 多层栅极结构，导致其动态特性不稳定，诸如动态阈值电压、动 态导通电阻、短路鲁棒性等动态可靠性成为近年来被诸多国内外学者研究。此外高 栅极电压摆幅的增强型GaN MOS-HEMTs 的制备以及动态特性研究亦是业界关注 的热点之一。 基于P-GaN Gate HEMTs 复杂的栅极结构以及GaN 器件不同于Si 器件的静态 击穿特性，在功率器件开关过程中，其击穿特性影响着系统可靠性及关断损耗。本 论文以GaN HEMTs 功率器件的动态击穿特性为研究对象，从实验室提出的P-GaN Gate HEMTs 栅极载流子输运模型出发，提出空穴注入诱使沟道势垒降低效应，揭 示了P-GaN Gate HEMTs 动态软击穿的原因。在研制UTB-GaN MOS-HEMTs 的基 础上，对其动态漏极偏置后的击穿特性进行了表征并做出初步解释。本文的主要内 容如下： （1）本文设计了反向阻断电流采样测试电路，并对其进行仿真验证、制造。 基于已有的高栅极电压下肖特基型P-GaN Gate HEMTs 栅极空穴注入模型，结合缓 冲层内施主缺陷能级的空穴捕获效应，发现器件开启时的栅极载流子输运将影响 关断时沟道内电子势垒的高度，对器件发生提前软击穿进行了解释。随着 P-GaN HEMTs 开启时间的延长，发现P-GaN HEMTs 的反向阻断电流将先上升后下降， 证明了空穴注入诱使沟道势垒降低效应的正确性，而反向阻断电流的下降，表明栅 极载流子输运机制受到温度的影响，从而达到了新的平衡状态。 （2 ）本文基于超薄势垒层结构耗尽异质结界面2DEG ，制备了UTB-GaN MOS- HEMTs 并对其基本特性进行了表征。通过动态漏极偏置击穿特性实验，观察到反 向阻断电流随动态漏极偏置增大而增大的现象；通过设置不同沟道长度、有无源极 金属场板器件的对照实验，揭示了器件沟道内电场分布是导致其动态漏极偏置下 反向阻断电流增大的原因；通过动态偏置时间实验，确定了器件动态击穿机制的发 生时间为5 ms 内。 关键词：增强型硅基GaN HEMT ，动态击穿，沟道电子势垒降低，反向阻断电流 增大，电场分布 I ABSTRACT ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors feature the characteristics of high breakdown voltage, high operating temperature, high power density and high operating frequency which is promising candidate for power application. Since the emerge of GaN HEMTs, after nearly 30 years of development, the commercial products have appeared and been used in the field of consumer electronics. Schottky P-GaN Gate HEMTs are one of the solutions for today's industry enhancement-mode. However, due to its complicated P-GaN / AlGaN / GaN multilayer gate structure, its dynamic threshold voltage, dynamic on-resi