高耐压GaN基功率器件新结构优化设计

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随着科技的进步,氮化镓(GaN)材料以优异的特性在全世界范围内引起大量的关注和研究。本文简要介绍了Ga N材料的基本特性,介绍了GaN基功率二极管和HEMT的研究进展和热点。总结了国内外学者所采用提高耐压的技术手段,但基本都存在电场分布不均和电场线比较集中的问题,远远没有达到GaN材料的理论极限。为了改善二极管体内和HEMT沟道内的电场分布,提高器件的击穿电压,提出了两种高耐压新结构器件。为了解决GaN基PN结的边缘电场线比较集中以及电场在n型半导体体内分布不够均匀的问题,本文提出了一种高/低K复合介质层的GaN基梯形二极管。该结构可以调节二极管体内电场,使电场分布更加均匀。仿真结果表明:一层高K介质层与两层低K介质层复合形成的VCD-TGD二极管可以实现4763 V的击穿电压,相比普通结构击穿电压提升98%,器件的动态导通电阻Ron为5.22 mΩ?cm2,功率优值FOM提高到4.34GW/cm2,反向恢复时间为50ns。针对GaN HEMT沟道内电场分布不均的问题,同时也为了避免引入更多的寄生电容,本文提出了一种复合肖特基结的HEMT器件。新结构由于在栅漏之间存在肖特基结,能够调节HEMT的沟道电场,使其分布地更加均匀,大幅度提高器件的击穿电压。同时也提高了2DEG的漂移速度,使得器件的直流特性和频率特性保持的较好,没有发生退化。相比场板结构,新结构有一个很大的优点即不会引入新的寄生电容,保证了器件的频率特性和开关特性。仿真结果表明:优化后器件的击穿电压可以达到1105V,相比常规结构和场板结构分别提高了200%和85%。导通电阻0.53mΩ·cm2,器件优值可达2.31 GW/cm2
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