氮化镓功率器件——材料、应用及可靠性

原书前言

第1章GaN的特性及优点1

1.1总体背景1

1.2GaN材料2

1.3极化效应5

1.4GaN基FET8

1.5天然超级结(NSJ)结构10

1.6导通电阻和击穿电压13

1.7低压器件14

1.8高压器件18

1.9GaN垂直功率器件的未来研究21

参考文献22

第2章衬底和材料24

2.1衬底概述25

2.2金属有机化学气相沉积26

2.2.1半绝缘(S.I.)的(Al,Ga)N层的制造28

2.2.2n型和p型掺杂29

2.2.3AlGaN/GaN异质结构30

2.3陷阱和色散31

2.4横向功率开关器件外延结构的制备31

2.4.1硅衬底上电流阻断层的沉积32

2.4.2碳化硅衬底上电流阻断层的沉积33

2.4.3蓝宝石衬底上电流阻断层的沉积33

2.4.4栅控层生长35

2.5垂直器件35

2.6展望39

2.6.1InAlN和AlInGaN垫座层39

2.6.2基于非c面GaN的器件40

参考文献41

第3章Si上GaN CMOS兼容工艺47

3.1Si上GaN外延47

3.2Si上GaN无Au工艺49

3.3无Au欧姆接触54

3.3.1AlGaN势垒层凹槽55

3.3.2欧姆合金优化55

3.3.3Ti/Al比56

3.3.4欧姆金属堆叠底部的Si层57

3.4Ga污染问题58

3.5结论61

参考文献61

第4章横向GaN器件的功率应用（从kHz到GHz）62

4.1简介62

4.2AlGaN/GaN HEMT的历史62

4.3色散的处理64

4.4用于毫米波的GaN66

4.5N极性GaN发展的历史回顾69

4.6电力电子中GaN的应用77

4.7结论83

参考文献83

第5章垂直GaN技术——材料、器件和应用91

5.1引言91

5.2器件拓扑93

5.2.1垂直器件与横向器件的比较93

5.3CAVET的演变95

5.4CAVET设计97

5.4.1器件成功运行所需的关键部分的讨论97

5.5CAVET的关键组成部分99

5.5.1电流阻断层103

5.5.2性能和成本105

5.6体GaN衬底的作用106

5.7RF应用的CAVET107

5.8结论107

参考文献108

第6章GaN基纳米线晶体管110

6.1简介110

6.1.1自下而上的纳米线器件：GaN纳米线场效应晶体管111

6.1.2自上而下的纳米线器件113

6.2三栅GaN功率MISFET114

6.2.1三栅GaN功率晶体管的其他考虑116

6.3用于RF应用的纳米线：增加gm的线性度120

6.4纳米结构的GaN肖特基势垒二极管122

6.4.1GaN SBD的纳米结构阳极123

6.5结论126

参考文献127

第7章深能级表征：电学和光学方法130

7.1简介130

7.2DLTS和DLOS基础131

7.2.1C-DLTS132

7.2.2C-DLOS133

7.2.3C-DLTS和C-DLOS对HEMT的适用性134

7.2.4I-DLTS和I-DLOS135

7.3DLTS和DLOS在GaN HEMT中的应用137

7.3.1利用填充脉冲对陷阱进行空间定位137

7.3.2利用测量偏差对陷阱进行空间定位140

7.3.3测量空间局限性的陷阱的其他方法142

7.4结论143

参考文献144

第8章GaN HEMT的建模：从器件级仿真到虚拟原型146

8.1简介146

8.2器件级仿真148

8.2.1脉冲模式行为149

8.3非优化的缓冲技术150

8.4优化的缓冲层工艺154

8.4.1AC电容155

8.4.2关断态击穿157

8.5Spice模型开发和校准159

8.6应用板的特性和仿真161

8.6.1正常关断pGaN晶体管163

8.6.2正常开启HEMT：共源共栅设计165

8.7结论170

参考文献171

第9章GaN基HEMT中限制性能的陷阱：从固有缺陷到常见杂质173

9.1表面相关的俘获177

9.2Fe掺杂的影响179

9.2.1深能级E2的特性及Fe掺杂的影响180

9.2.2E2陷阱的起源182

9.2.3电应力对俘获机制的影响183

9.3C掺杂的影响185

9.4金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMT)的俘获机制193

9.4.1正栅极偏压引起的俘获193

9.4.2快俘获和慢俘获机理分析195

9.4.3提高俘获效应的材料和沉积技术196

参考文献199

第10章硅上共源共栅GaNHEMT：结构、性能、制造和可靠性209

10.1共源共栅GaN HEMT的动机和结构209

10.2共源共栅GaN HEMT的功能和优点210

10.3共源共栅GaN HEMT的关键应用和性能优势211

10.3.1无二极管半桥结构211

10.3.2栅极驱动的考虑212

10.4市场上的产品213

10.5应用和主要性能优势214

10.5.1图腾柱功率因数校正（PFC）电路214

10.5.2PV逆变器215

10.5.3带GaN AC-DC PFC和全桥谐振开关LLC DC-DC变换器的一体式电源216

10.6共源共栅GaN HEMT的认证和可靠性217

10.6.1JEDEC认证218

10.6.2扩展的认证/可靠性测试218

10.6.3工作和本征寿命测试219

10.7卓越制造221

10.8单片上的E模式GaN222

10.9未来展望223

10.9.1下一代产品223

10.9.2知识产权考虑223

10.9.3小结223

参考文献224

第11章栅注入晶体管：E模式工作和电导率调制225

11.1GIT的工作原理225

11.2GIT的DC和开关性能228

11.3关于GIT可靠性的*新研究231

11.4GIT在实际开关系统中的应用234

11.5面向未来电力电子的先进GIT技术237

11.6结论240

参考文献240

第12章氟注入E模式晶体管242

12.1简介：III-氮化物异质结构中的氟：Vth鲁棒性控制242

12.2氟注入的物理机制243

12.2.1F等离子体离子注入的原子模型243

12.2.2AlGaN/GaN异质结构中F离子的稳定性245

12.2.3F离子周围的电子结合能247

12.3F离子注入E模式GaNMIS—HEMT249

12.3.1GaN MIS—HEMT249

12.3.2带有部分凹槽的F离子注入势垒层的GaNMIS—HEMT252

12.3.3GaN智能功率芯片255

12.4结论259

参考文献260

第13章GaN高压功率晶体管的漂移效应262

13.1简介262

13.2漂移效应及其物理机制262

13.2.1概述262

13.2.2基本物理理解263

13.2.3对器件工作条件的依赖性265

13.3GaN功率开关晶体管中的漂移现象266

13.3.1导通态下的动态电阻（Ron_dyn）266

13.3.2阈值电压偏移273

13.3.3Kink效应275

13.4技术对策276

13.4.1优化的外延缓冲层设计276

13.4.2减小关键器件区域的电场277

参考文献279

第14章额定电压650V的GaN功率器件的可靠性问题283

14.1简介283

14.2无Au欧姆接触的可靠性283

14.2.1欧姆接触可靠性简介283

14.2.2无Au欧姆接触件的加工284

14.2.3应力和测量顺序284

14.2.4无Au欧姆接触的可靠性评估286

14.2.5结论290

14.3MIS—HEMT栅极介质的可靠性292

14.3.1简介292

14.3.2实验292

14.3.3正向偏置条件下对泄漏电流的分析294

14.3.4反向偏压条件下对泄漏电流的分析295

14.3.5体SiN缺陷态分析297

14.3.6TDDB研究298

14.3.7结论299

14.4缓冲层堆叠可靠性——关断态高压漏极应力300

14.4.1简介300

14.4.2电流传导机制301

14.4.3高温反向偏置302

14.4.4高压关断态漏极应力303

14.4.5结论303

参考文献304

第15章GaN晶体管的开关特性：系统级问题307

15.1E模式和共源共栅GaN的开关特性307

15.1.1开关损耗机制307

15.1.2封装影响309

15.1.3硬开关与软开关的比较312

15.2共源共栅GaN的特殊问题313

15.2.1封装对栅极击穿的影响313

15.2.2电容失配的影响314

15.3GaN器件的栅极驱动器设计319

15.3.1di/dt问题319

15.3.2dv/dt问题320

15.4系统级影响322

15.4.13D集成的负载点变换器322

15.4.2隔离的DC—DC变换器324

15.4.3MHz级图腾柱PFC整流器327

15.4.4高密度插墙式适配器328

15.5结论331

参考文献331