基于介电弛豫时间模型的硅基GaN功率开关器件动态导通电阻特性及控制技术研究

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基本信息

  • 批准号：
    61774002
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    58.0万
  • 负责人：
    王茂俊
  • 依托单位：
    北京大学
  • 学科分类：
    F0404.半导体电子器件与集成
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Due to the unique material properties and the capability for massive production, GaN HEMT on silicon substrate is believed to be the candidate of the next generation high efficiency and high frequency power switches. In this project, we would study the degradation phenomenon of the dynamic on-resistance in GaN HEMT on silicon substrate, try to reveal the underlying device physics, establishing the degradation model based on dielectric relaxation and develop the device technology for fabricating HEMT devices with high dynamic power figure of merit. The main research points include: the behavior of the trap states in the buffer layer of GaN HEMT on silicon substrate with large lattice mismatch, the degradation rule of the dynamic on-resistance, low density p-type doping of the buffer and the effect on the dynamic on-resistance, novel HEMT structure on silicon substrate with grounded buffer, etc. The fabricated high performance GaN power switch on silicon substrate is expected to deliver an off-state breakdown voltage larger 1 kV, a static specific on-resistance smaller than 1.2 milliohm centimeter square, a small increase of the dynamic on-resistance of about 50% under 600 V operation voltage, which would further confirm the accuracy of the established degradation model of the dynamic on-resistance in GaN power switch device and enhance the understanding of the material and device physics of wide band gap semiconductors.
由于优良的电学特性和具备大规模生产潜力，硅基GaN HEMT被认为是下一代高效、高频功率开关最有竞争力的替代者。本申请项目以研究硅基GaN HEMT动态导通电阻退化这一限制器件实用化的瓶颈问题为切入点，以弄清相关器件物理、发展具有高动态功率因数的硅基GaN功率开关器件制备技术为目标，创新提出开展基于介电弛豫时间模型的动态导通电阻特性及控制技术研究。主要研究内容包括大失配衬底上GaN HEMT缓冲层中陷阱态的物理行为、HEMT器件动态导通电阻退化的规律、缓冲层的低浓度p型掺杂对动态导通电阻的影响、缓冲层接地的新型硅基GaN HEMT功率开关器件等。研制出高性能硅基GaN功率开关器件，耐压大于1 kV、静态比导通电阻小于1.2毫欧厘米平方、600 V工作电压下动态导通电阻的上升小于50%，验证所建立的GaN HEMT动态导通电阻退化模型的正确性，加深对宽禁带半导体材料物理和器件物理的理解。

结项摘要

基于宽禁带GaN材料的电子器件，特别是AlGaN/GaN高迁移率晶体管(HEMT)具有高效率、高开关频率的优势，正成为下一代功率管理系统中最具竞争力的开关器件。GaN HEMT自身的结构特点要求在外延生长过程中引入高阻的缓冲层，高压、高电场作用下其对沟道中载流子的捕获是引起器件动态导通电阻增加的原因之一。项目针对高阻缓冲层中载流子输运及陷阱态的行为开展了研究工作，发现缓冲层的漏电遵循空间电荷限制电流的物理规律，介电弛豫时间长导致缓冲层中电场分布不均匀，空间电荷区也相应变化。研究了掺C缓冲层的GaN HEMT在变温下的动态导通电阻增加行为，发现低温可以抑制动态导通电阻增加，获得陷阱态捕获电子的激活能为0.36eV，而发射电子的激活能为0.2eV，说明陷阱态的载流子捕获与发射存在晶格弛豫过程。为了加快缓冲层中负空间电荷区的恢复，提出采用源极接地的缓冲层，避免开关过程中的浮置状态；同时源极附近p型区域中的空穴可以在高电场作用下注入到缓冲层中，加快负空间电荷区的恢复，从而减小动态导通电阻的增加；模拟计算表明与普通结构相比，采用p型接地缓冲层器件动态导通电阻的增加得到有效抑制。在缓冲层引起动态导通电阻增加的基础上，进一步研究了AlGaN/GaN异质结构中界面态对动态导通电阻增加的影响。提出采用基于MOCVD原位生长的SiN与LPCVD生长的SiN形成复合栅介质，从而减小MIS结构中的界面态，所制备的功率开关器件在600V静态偏置下的动态导通电阻增加只有34%。以上研究结果为进一步改善硅基GaN功率开关器件的性能、减小导通损耗提供了物理依据，对新型材料结构及器件工艺的开发具有一定的借鉴意义。

项目成果

期刊论文数量（6）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（3）
Investigation of the Trap States and V-TH Instability in LPCVD Si3N4/AlGaN/GaN MIS-HEMTs with an In-Situ Si3N4 Interfacial Layer
具有原位 Si3N4 界面层的 LPCVD Si3N4/AlGaN/GaN MIS-HEMT 中的陷阱态和 V-TH 不稳定性研究
  • DOI：
    10.1109/ted.2019.2919246
  • 发表时间：
    2019
  • 期刊：
    IEEE Transactions on Electron Devices
  • 影响因子：
    3.1
  • 作者：
    Sun Hui;Wang Maojun;Yin Ruiyuan;Chen Jianguo;Xue Shuai;Luo Jiansheng;Hao Yilong;Chen Dongmin
  • 通讯作者：
    Chen Dongmin
Fabrication of High-Uniformity and High-Reliability Si3N4/AlGaN/GaN MIS-HEMTs With Self-Terminating Dielectric Etching Process in a 150-mm Si Foundry
在 150 毫米硅铸造厂中采用自终止介电蚀刻工艺制造高均匀性和高可靠性的 Si3N4/AlGaN/GaN MIS-HEMT
  • DOI：
    10.1109/ted.2018.2869703
  • 发表时间：
    2018-09
  • 期刊：
    IEEE Transactions on Electron Devices
  • 影响因子：
    3.1
  • 作者：
    Sun Hui;Wang Maojun;Chen Jianguo;Liu Peng;Kuang Wenteng;Liu Meihua;Hao Yilong;Chen Dongmin
  • 通讯作者：
    Chen Dongmin
Optimization of Au-Free Ohmic Contact Based on the Gate-First Double-Metal AlGaN/GaN MIS-HEMTs and SBDs Process
基于先栅双金属 AlGaN/GaN MIS-HEMT 和 SBD 工艺的无金欧姆接触优化
  • DOI：
    10.1109/ted.2017.2778072
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    IEEE Transactions on Electron Devices
  • 影响因子：
    3.1
  • 作者：
    Sun Hui;Liu Meihua;Liu Peng;Lin Xinnan;Chen Jianguo;Wang Maojun;Chen Dongmin
  • 通讯作者：
    Chen Dongmin
Suppressing Buffer-Induced Current Collapse in GaN HEMTs with a Source-Connected p-GaN (SCPG): A Simulation Study
使用源极连接的 p-GaN (SCPG) 抑制 GaN HEMT 中缓冲器引起的电流崩塌：仿真研究
  • DOI：
    10.3390/electronics10080942
  • 发表时间：
    2021-04
  • 期刊：
    Electronics
  • 影响因子：
    2.9
  • 作者：
    Lin Wei;Wang Maojun;Sun Haozhe;Xie Bing;Wen Cheng P.;Hao Yilong;Shen Bo
  • 通讯作者：
    Shen Bo
Gate-Recessed Normally OFF GaN MOSHEMT With High-Temperature Oxidation/Wet Etching Using LPCVD Si3N4 as the Mask
使用 LPCVD Si3N4 作为掩模进行高温氧化/湿法刻蚀的栅极凹进式常关 GaN MOSHEMT
  • DOI：
    10.1109/ted.2018.2812215
  • 发表时间：
    2018-05-01
  • 期刊：
    IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES
  • 影响因子：
    3.1
  • 作者：
    Gao, Jingnan;Jin, Yufeng;Wang, Maojun
  • 通讯作者：
    Wang, Maojun

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GaN基半导体异质结构的外延生长、物性研究和器件应用
  • DOI：
    10.13725/j.cnki.pip.2017.03.001
  • 发表时间：
    2017
  • 期刊：
    物理学进展
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    沈波;唐宁;杨学林;王茂俊;许福军;王新强;秦志新
  • 通讯作者：
    秦志新

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
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          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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