AlGaN/GaN HEMT耐压新结构及开关特性研究

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作为第三代半导体材料中的佼佼者-氮化镓具有非常优越的材料特性,成为了国内外研究的热点,被广泛适用于电力电子领域。随着对氮化镓功率器件研究的进一步深入,许多问题也渐渐暴露出来。其中,氮化镓功率器件耐压能力远低于理论极限与开/关态存在延迟这两个问题尚未得到充分的解答。针对以上问题,本文进行了进一步的探索。  首先,对现有提高氮化镓功率器件耐压能力常用的技术手段进行了简单的说明,包括新的工艺和结构等。同时,对其耐压机理和存在的问题进行了讨论。接下来总结了几种泄漏电流和普遍的击穿机制,并做出了一系列的分析和说明。最后,介绍了氮化镓功率器件作为开/关型器件的现状以及对影响其开/关特性的因素进行了简要的分析和说明。  在上文的基础上,本文创新地提出了一种具有局部背势垒的 GOI HFET 耐压新结构。该结构的作用机理是:利用 AlxGa1-xN 和 GaN 材料自发极化效应不同的原理,使 AlxGa1-xN 局部背势垒层和 GaN 沟道层界面电荷平衡后剩余负的极化电荷,耗尽部分栅漏漂移区沟道2DEG浓度,从而有效地调制沟道横向电场峰值,提高器件的击穿电压。仿真结果表明:对于栅-漏间距Lgd为5μm的PB-GOI HFET的击穿电压达到1200V,相比常规GOI HFET的265V,其耐压提升了353%,而导通电阻仅增加了0.18m?.cm2。FOM得到大幅度提升,由原来的0.29GW/cm2提升至3.12GW/cm2,提升了976%。该器件结构不仅保留了常规GOI HFET器件的优势,在提高器件耐压能力的同时不会导致其频率特性退化。因此,PB-GOI HFET器件在电力电子器件领域拥有非常好的前景。  最后,不同于上文中对于器件静态特性的讨论,接下来重点研究了AlGaN/GaN HEMT器件的开/关态特性。首先,对现有的器件仿真和电路仿真方法的缺点做出了说明,并全面地研究了器件仿真工具Silvaco和电路仿真工具Spice混合仿真的方法。其次,简要介绍了实现增强型器件的方法以及其优缺点。同时,对于P-GaN增强型功率器件包括:输出、转移和击穿等基本特性做了详细的说明。最后,使用前文介绍的混合仿真方法对P-GaN增强型器件的开/关态特性做了详细的讨论并指出了影响其开/关态特性的因素。
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