论文部分内容阅读
GaN基肖特基势垒二极管(SBD)作为一种低功耗、耐高压、耐高温的超高速电子器件,在电力电子和微波领域发挥着十分重要的作用。相比常规的平面阳极SBD,凹槽阳极SBD可以实现较低的开启电压、导通电阻及电容,在高频大功率领域具有较大的优势,因此有必要对GaN基SBD展开广泛深入的研究。另外,In GaN沟道异质结可以有效提升2DEG的迁移率,将In GaN作为插入型沟道生长在GaN缓冲层与Al GaN势垒层之间可以形成更深的电子势阱,有利于提升沟道内二维电子气(2DEG)的限域性,增大载流子的有效面密度。基于上述背景,本文主要对横向GaN与In GaN沟道凹槽阳极SBD的电学特性及电应力下的可靠性进行研究,主要工作内容如下:(1)基于硅(Si)衬底研制出凹槽阳极和平面阳极Al GaN/GaN SBD,对比研究了两种器件在开启电压、导通电阻、电容、击穿电压及热稳定性等电学性能方面的区别,并分析了其内在机制。测试结果表明,常温下具有相同尺寸的凹槽阳极Al GaN/GaN SBD比平面阳极Al GaN/GaN SBD具有更小的开启电压、导通电阻和电容。器件的变温I-V特性表明凹槽阳极器件具有良好的热稳定性。(2)分别对凹槽阳极和平面阳极Al GaN/GaN SBD进行正向大电流应力可靠性实验,分析器件开启电压和导通电阻的退化规律及其内在原因,结果表明,相同应力时间下凹槽阳极Al GaN/GaN SBD的开启电压和导通电阻的退化量较小。另外,对凹槽阳极器件进行电压应力-恢复实验,结果表明,器件的开启电压和导通电阻在应力阶段逐渐退化并在撤除应力后逐渐恢复,但不能完全恢复,说明有一部分发生永久退化。开启电压在应力开始阶段退化较快,这主要是受器件内部本来存在的陷阱的影响,而之后的时间内开启电压退化较慢,这是由应力阶段新产生的陷阱导致。导通电阻在电压应力作用下的退化机制更为复杂。(3)在蓝宝石衬底上采用脉冲式MOCVD法生长出Al GaN/In GaN异质结外延材料,AFM测试结果表明In GaN沟道表面和Al GaN/In GaN异质结表面呈现清晰的原子台阶形貌,RMS粗糙度分别为0.25nm和0.21nm,说明样品具有良好的结晶质量。对样品进行HRXRD测试并通过计算得到In GaN的衍射峰位于124.7°,In组分为5%。变温霍尔测试结果表明样品在高温下具有出色的电流输运特性。(4)基于制备的Al GaN/In GaN异质结外延材料,研制了凹槽阳极Al GaN/In GaN SBD,器件实现了较低的开启和较大的正向电流,但击穿特性稍差。与GaN沟道SBD相比,In GaN沟道SBD的导通电阻、开启电压和反向电流随温度的变化率较小,说明In GaN沟道SBD具有更为优异的热稳定性。