【摘 要】
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GaN材料具有高电子迁移率、高热导率以及抗辐射等优良的物理化学性质,在大电流和高耐压等领域有着广阔的应用。然而随着对GaN基功率器件的深入研究,其实际性能与理论极限仍存在较大的差距。其主要问题是:普通GaN HEMT截止时栅极金属边沿下方存在电场集中的现象,易造成器件中雪崩击穿的提前发生;器件在开启、关断过程中,表现出延迟较大和开关速度较慢。针对上述问题,本文从器件的新结构和开关特性两个方面进行了
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GaN材料具有高电子迁移率、高热导率以及抗辐射等优良的物理化学性质,在大电流和高耐压等领域有着广阔的应用。然而随着对GaN基功率器件的深入研究,其实际性能与理论极限仍存在较大的差距。其主要问题是:普通GaN HEMT截止时栅极金属边沿下方存在电场集中的现象,易造成器件中雪崩击穿的提前发生;器件在开启、关断过程中,表现出延迟较大和开关速度较慢。针对上述问题,本文从器件的新结构和开关特性两个方面进行了深入研究,取得了如下成果。首先,本文创新的提出一种具有结型场板耐压结构的GaN基高电子迁移率晶体管（GaN PN-HEMT）,该结构的特点是在常规的氮化镓HEMT器件基础上,其势垒层上方形成一个纵向的PN结作为耐压结构调制器件的沟道电场,在栅极处于截止状态时纵向的PN结二极管会辅助耗尽器件沟道的二维电子气,降低该处峰值电场,减小栅极附近所承受的电压。仿真结果表明:提出的GaN PN-HEMT在栅漏间距为6μm时,其击穿电压为785V(@IDS=1μA/mm),与常规GaN HEMT和栅极场板器件（GP-HEMT）相比,击穿电压分别提升了85%和32%。GaN PN-HEMT器件的导通电阻为0.55mΩ·cm2,与常规器件基本一致。新结构器件的功率优值FOM也明显提升,其值由常规GaN HEMT器件的0.384GW/cm2提升至1.13GW/cm2,提升了195%。其次,本文提出了一种器件-电路混合仿真方法（Mixed Mode）用于GaN HEMT器件的开关特性研究。利用Silvaco仿真软件搭建外围仿真电路,通过深入分析器件在开启、关断过程中栅漏电压、沟道电流和开关速度等电学特性的变化,研究发现:结型场板结构GaN PN-HEMT的开启速度从常规器件的304.8V/ns（tr=1.05ns）提升至363.6V/ns（tr=0.88ns）,关断速度从常规器件的217.7V/ns（tf=1.47ns）提升至268.9V/ns（tf=1.19ns）,GaN PN-HEMT器件的开启、关断速度均有所提升。最后,为了研究栅介质对器件开关速度的影响,在p-GaN增强型器件的栅极金属与p-GaN之间引入栅极介质。结果分析可知,器件的关断速度在栅介质插入后从18.1/ns（tf=17.68ns）提升至174.9V/ns（tf=1.83ns）,其原因在于栅介质的引入能抑制器件开启时存在的栅极泄漏电流。进一步研究发现,栅极场板和源极场板结构也能提升器件的开关速度,而漏极场板对器件的开关速度几乎没有影响。仿真结果表明:器件在加入栅极场板之后,其开启速度从264.5V/ns提升至438.4V/ns,关断速度从18.1V/ns提升至69.4V/ns。
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