【摘 要】
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在以汽车电子、数据中心以及便携终端快充为代表的功率应用需求的驱动下,氮化镓（GaN）功率电子器件得到学术界及产业界的广泛关注。基于自支撑衬底的GaN纵向器件具备更低的位错密度以及更高的散热效率,理论上可突破GaN HEMT耐压的瓶颈实现千伏级应用。然而,结边缘电场的高度集中现象将导致载流子雪崩倍增或缺陷态电荷存储的物理过程。围绕GaN纵向器件发展趋势以及当前发展技术难点,本文聚焦于耐压机理以及电场
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在以汽车电子、数据中心以及便携终端快充为代表的功率应用需求的驱动下,氮化镓（GaN）功率电子器件得到学术界及产业界的广泛关注。基于自支撑衬底的GaN纵向器件具备更低的位错密度以及更高的散热效率,理论上可突破GaN HEMT耐压的瓶颈实现千伏级应用。然而,结边缘电场的高度集中现象将导致载流子雪崩倍增或缺陷态电荷存储的物理过程。围绕GaN纵向器件发展趋势以及当前发展技术难点,本文聚焦于耐压机理以及电场优化的研究。在传统GaN肖特基势垒二极管（SBD）以及电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）击穿原理研究的基础上,提出利用结终端技术优化器件电场空间分布。主要的研究内容如下:（1）纵向GaN SBD固有弊端在于肖特基结边缘电场集中现象使得电子场致隧穿几率增大,导致整流特性恶化。探索结终端对于电场分布调控的机制,利用结终端优化GaN SBD阻断特性。（1）结终端扩展SBD（JTE-SBD）利用P-GaN辅助阻断肖特基边缘处电子的输运过程,并借助空间电荷优化表面电场分布。JTE-SBD击穿电压可由传统结构333 V提高至2733 V,导通电阻仅提高25%。（2）磨角终端SBD（Bevel-SBD）利用刻蚀的手段促进漂移区的耗尽作用,大角度、刻蚀深的磨角可将击穿位置转移至终端处。垂直磨角终端效率最高达到93.8%,导通电阻由1.8 mΩ·cm~2增加到3.0 mΩ·cm~2。JTE-SBD需选区掺杂工艺,导通损耗牺牲相对较小;而Bevel-SBD工艺实现相对简单,但需刻蚀较大面积的有源区才能实现阻断能力的显著提升。以实现2.5 k V耐压为例,JTE-SBD导通电阻增长幅度相较Bevel-SBD低27.8%。优化结终端结构BFOM值由传统结构60.5 MW/cm~2提高至3.3 GW/cm~2,有利于推动纵向GaN SBD在数据中心、激光雷达中AC/DC整流器、DC/AC逆变、DC/DC转换模块的应用。（2）针对GaN CAVET电流阻挡层（CBL）处电场聚集导致耐压低的技术瓶颈,本文提出P-GaN岛CAVET（PI-CAVET）以改善纵向电场分布的均匀性并发挥电子势垒效果。基于PI结构—电场分布—击穿电压的内在联系的研究以及器件耗尽区扩展及耐压机制的探究,PI-CAVET击穿电压提升幅度高达83%,BFOM值由传统结构0.87 GW/cm~2增长到2.63 GW/cm~2。器件电场分布均匀性的提高一方面有利于击穿电压的提升,另一方面抑制高场下缺陷态电荷存储效应造成器件阈值漂移、电流崩塌等可靠性退化。
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