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硅基氮化镓(GaN-on-Si)功率器件具有击穿电压高、工作温度高和工作频率高等优异性能,是电力电子领域极为理想的半导体器件,现已成为国际半导体领域的研究热点之一。因增强型功率器件具有安全性高及驱动简单等优点,如何制备出高性能的GaN-on-Si增强型功率器件是学者们关注的重点。为降低功率器件的设计周期和成本,往往需要器件理论模型来指导器件的设计,而目前对GaN-on-Si增强型功率器件相关物理模型的研究较少。同时,功率器件从产品到应用需要解决其可靠性相关的问题,关于GaN-on-Si增强型功率器件长期可靠性方面的问题还需进行全方面地研究。此外,一些应用领域不仅要求功率器件具有较好的正向阻断能力,还要求其具有反向阻断能力。本文针对GaN-on-Si功率半导体技术在发展中所面临的一些问题,开展了GaN-on-Si增强型功率器件的理论模型、新结构、关键工艺及长期可靠性的研究。主要创新如下:(1)建立了GaN-on-Si增强型功率器件场控能带模型。研究了GaN-on-Si增强型功率器件的场控能带机理,分析了器件结构、材料结构、陷阱电荷及外加电场对能带结构和二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas,2DEG)浓度的影响机制,揭示了恒定密度陷阱电荷和2DEG浓度的关系,进一步引入了陷阱电荷密度与外加电场、陷阱电荷分布函数的关系,从而建立了GaN-on-Si增强型功率器件场控能带模型以及提出了陷阱电荷分布函数的提取方法,为本文的后续研究工作提供了指导思想。(2)提出了GaN-on-Si增强型功率器件场控新结构。提出了具有肖特基-绝缘栅(Schottky-Metal Insulator Semiconductor,Sch-MIS)混合漏极及缓变铝组分势垒层的GaN-on-Si场控能带逆阻型功率器件。通过漏极MIS结构的电场控制该区域的能带结构和2DEG浓度,实现器件的正向导通和反向阻断;利用Sch-MIS混合漏极抑制漏致势垒降低效应,加强了器件的反向阻断能力;采用缓变铝组分势垒层改变异质结的能带结构和提高2DEG浓度,提高了器件的正向导通能力,获得了导通电压降低15%和反向阻断电压增大350%的GaN-on-Si逆阻型功率器件,优化了器件正向导通和反向阻断的矛盾关系。提出了无欧姆接触的GaN-on-Si场致隧穿逆阻型功率器件。该器件通过绝缘栅极电场控制源极肖特基结的势垒厚度,改变电子的隧穿几率,实现器件的开启和关断。所提出的器件可在较低温度下制备,可避免势垒层的表面被氧化。(3)提出了GaN-on-Si增强型功率器件的高温低损伤凹槽工艺。开展了关于GaN-on-Si增强型功率器件凹槽刻蚀工艺的研究,提出了高温低损伤凹槽工艺,降低了刻蚀损伤和刻蚀表面粗糙度,减小了器件陷阱电荷的浓度,从而减小了陷阱电荷所形成的电场对栅极区域能带结构和2DEG浓度的影响,提高了器件栅极对异质结沟道能带结构和2DEG浓度的控制能力,同时减小了刻蚀损伤对器件2DEG沟道迁移率的影响,获得了阈值电压高(3.2V)、2DEG沟道迁移率高(180 cm~2/V?s)及导通电流高(663 mA/mm)的GaN-on-Si增强型功率器件,缓解了器件开启与导通的矛盾关系。(4)提出了GaN-on-Si增强型功率器件的场致退化机理。研究了脉冲过电流对GaN-on-Si增强型功率器件长期可靠性的影响,证明了在一定条件下重复脉冲过电流会导致器件导通电阻和关态电流发生发生退化,并通过实验分析和模拟仿真研究了器件的退化机制,提出了GaN-on-Si增强型功率器件的场致退化机理—器件同时承受高瞬态电流和高瞬态电场,在器件电场峰值点产生大量热量并出现较大的热应力,从而导致陷阱的产生,陷阱俘获电子后所形成的电场会抬高异质结能带并部分耗尽2DEG,导致器件导通电阻的增加。