论文部分内容阅读
作为电力系统的关键元器件，电力电子器件应用领域广泛。第三代半导体材料GaN具有禁带宽度宽、电子迁移率高、临界击穿电场强、化学性质稳定等优点。此外，AlGaN/GaN异质结材料由于极化效应在界面处存在高浓度高迁移率的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件在电力电子领域具有巨大的优势和广阔的前景。AlGaN/GaN异质结功率器件主要包括AlGaN/GaN晶体管及AlGaN/GaN二极管。本论文从p-GaN混合阳极二极管和AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)出发，研究了器件的工作原理、结构设计、关键工艺开发、制备流程、直流特性以及可靠性分析等方面。 首先，研究了p-GaN混合阳极二极管制备过程的关键工艺，包括p-GaN低损伤刻蚀工艺和器件表面钝化工艺。低损伤刻蚀工艺采用C1基低功率刻蚀条件刻蚀p-GaN层，刻蚀在AlGaN层上表面停止，且刻蚀后的表面粗糙度小于1nm。同时也分析了不同钝化工艺（包括等离子体增强化学气相沉积SiO2钝化层、等离子体增强化学气相沉积SiNx钝化层以及低压化学气相沉积SiNx钝化层）对增强型外延(P-GaN刻蚀后)的导通与关断特性的影响。实验得出结论，等离子体增强化学气相沉积SiO2钝化层是本实验中较为理想的钝化工艺。 其次，在研究的关键工艺的基础上设计并制备了具有低开启电压的p-GaN 混合阳极二极管。p-GaN混合阳极二极管是通过p-GaN层对AlGaN/GaN异质结形成2DEG的耗尽作用实现器件单向导电的。所制备的环形器件开启电压为0.55V，在反向偏压为40V时，反向电流密度为9×10-7A/mm，击穿电压大约为500V。与传统的Ni基肖特基二极管相比，开启电压降低了0.65V，反向漏电流降低了一个数量级，击穿电压明显提高。 最后，分析了AlGaN/GaN HEMT器件的可靠性。通过对器件施加不同的偏置电压，分别研究了器件的表面陷阱和内部陷阱对器件沟道电阻的影响。实验结果表明，器件的表面陷阱对沟道电阻影响较小，而器件内部陷阱对沟道电阻增加起到了主要作用，这和器件制作过程中的钝化工艺以及场板结构有关。通过对器件沟道电阻随时间的微分曲线的分析，得出器件内部存在两个陷阱能级T1和T2。并结合不同波长光照下沟道电阻的变化曲线，分析得出T1和T2陷阱能级的范围:T1陷阱的位置在EC和EC-1.46eV之间，而T2陷阱的位置在EC-1.46eV和EC-1.88eV之间。