GaN高电子迁移率晶体管钝化层的设计与优化开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景： 二十一世纪初随着集成电路规模日趋增长和通信、计算、人工智能等应用领域的发展，集成电路系统不断朝着小尺寸、高功率密度和高工作频率方向发展。为了适应这一发展方向和发展需求具有高功率和高工作频率的电子器件便应运而生，从而衍生出了一种新的学科功率电子器件。传统的si基电子器件受限于耐压低、导热性能差和开关速度慢等约束很难满足日益增长的功率要求。为了应对这一发展趋势实现高耐压和高输出功率， si基器件先后提出了ldmos结构、超结结构和igbt结构等功率器件新结构来提高si基功率器件的性能。然而这些si基功率器件依然受限于材料本身的特性，因此si基功率器件提高耐压能力和电源管理模块工作效率的空间有限且开发成本也急剧增加。为了满足各类功率开关应用领域中对更高耐压和更高功率转换效率的功率电子器件的迫切需要，新型半导体材料和新型半导体功率器件新结构的研究和开发势在必行。氮化镓（gan）材料，作为第三代半导体的典型代表具有禁带宽度大、电子迁移率高、电子饱和速度高、导热性能好、临界击穿电场高、抗辐射、耐高温、和化学稳定性好等优异特点，也正是这些特点使得gan引起了越来越多的关注。随着gan材料生长和器件设计的日趋成熟，gan基功率器件便不断被报道出来。已报道的gan基场效应晶体管、二极管等覆盖了超高压（6600v）和低压范围，其应用也覆盖了半导体功率器件的大部分领域如电源适配器、汽车电子、数据中心等。

研究目的：如上图2所示，可以看看到器件中的源漏电流的数值低于器件的理想电流值，这导致了器件的通态电阻的增大，这就是hemt中的电流崩塌效应。gan基hemt的主要优势在于其拥有髙频高功率，所以电流崩塌效应的存在己经严重阻碍了gan hemt在工艺上的应用。产生电流崩塌效应的原因主要有两个：①表面陷阱引起的“虚栅”效应；②缓冲层陷阱俘获沟道热电子。而虚栅效应被认为是造成电流崩塌的关键因素，图3则是虚栅的模型示意图，由于gan hemt器件中存在着陷阱效应，所以栅极中泄露的电子会填满器件表面的陷阱，从而形成虚栅，虚栅影响二维电子气浓度，使器件输出电流减小，从而形成电流崩塌。相比于gan缓冲层陷阱，表面陷阱的影响可通过工艺进行改善。在器件表面生长钝化层改变表面态能级来降低表面陷阱对gan hemt沟道电子浓度的影响，从而抑制电流崩塌。本文研究目的便是通过对gan hemt器件钝化层的设计使gan hemt器件特性得到改善。

2. 研究内容和预期目标

研究内容

本课题为gan高电子迁移率晶体管钝化层的设计与优化，主要研究的是gan hemt钝化层对其电学特性的影响，然后能够根据研究结果来对其进行设计与优化，从而改善器件特性。主要研究的内容包括有无钝化层、钝化层厚度以及不同种类钝化层对器件的漏电、饱和电流密度、电流崩塌以及可靠性的影响。并且在上述的基础上，能够设计出合适的钝化层参数，使gan hemt的器件的直流特性、击穿特性、输出特性等得到改善。

3. 研究的方法与步骤

3.1 研究方法

（1） 查阅文献：广泛阅读课题相关中英文文献，调研国内外研究现状，重点关注gan hemt器件的作用及具体应用领域，第三代半导体材料的优势以及研究进展，从中整理出方法，为课题的研究做准备。

（2）设计参数：利用silvaco tcad软件，通过改变钝化层的厚度以及介电常数等参数，抑或是添加陷阱等方式，来分析钝化层对gan hemt器件电学特性的影响。

4. 参考文献

[1]王翠梅,王晓亮,王军喜.algan/gan hemt电流崩塌效应研究进展.固体电子学研究与进展,2005,25(1):35-41.

[2]罗大为.algan/gan hemt电流崩塌效应的测试及仿真研究.微电子学与固体电子学,2013.

[3]陈敦军,刘斌,谢自力,韩平,张荣,郑有炓.aln钝化层对algan/gan异质结及其高温特性的影响.功能材料与器件学报,2007:1031-1034.

5. 计划与进度安排

（1）2021年1月1日—2022年2月28日①查阅课题相关中英文文献，撰写调研报告；

②结合相关论文，自学ganhemt工作原理；

③安装并学会使用silvaco2022软件；