氮化鎵功率器件：材料、應用及可靠性

第1章GaN的特性及優點1
1.1總體背景1
1.2GaN材料2
1.3極化效應5
1.4GaN基FET8
1.5天然超級結(NSJ)結構10
1.6導通電阻和擊穿電壓13
1.7低壓器件14
1.8高壓器件18
1.9GaN垂直功率器件的未來研究21
參考文獻22
 
第2章襯底和材料24
2.1襯底概述25
2.2金屬有機化學氣相沉積26
2.2.1半絕緣(S.I.)的(Al,Ga)N層的製造28
2.2.2n型和p型摻雜29
2.2.3AlGaN/GaN異質結構30
2.3陷阱和色散31
2.4橫向功率開關器件外延結構的製備31
2.4.1矽襯底上電流阻斷層的沉積32
2.4.2碳化矽襯底上電流阻斷層的沉積33
2.4.3藍寶石襯底上電流阻斷層的沉積33
2.4.4柵控層生長35
2.5垂直器件35
2.6展望39
2.6.1InAlN和AlInGaN墊座層39
2.6.2基於非c面GaN的器件40
參考文獻41
 
第3章Si上GaN CMOS相容工藝47
3.1Si上GaN外延47
3.2Si上GaN無Au工藝49
3.3無Au歐姆接觸54
3.3.1AlGaN勢壘層凹槽55
3.3.2歐姆合金優化55
3.3.3Ti/Al比56
3.3.4歐姆金屬堆疊底部的Si層57
3.4Ga污染問題58
3.5結論61
參考文獻61
 
第4章橫向GaN器件的功率應用（從kHz到GHz）62
4.1簡介62
4.2AlGaN/GaN HEMT的歷史62
4.3色散的處理64
4.4用於毫米波的GaN66
4.5N極性GaN發展的歷史回顧69
4.6電力電子中GaN的應用77
4.7結論83
參考文獻83
 
第5章垂直GaN技術——材料、器件和應用91
5.1引言91
5.2器件拓撲93
5.2.1垂直器件與橫向器件的比較93
5.3CAVET的演變95
5.4CAVET設計97
5.4.1器件成功運行所需的關鍵部分的討論97
5.5CAVET的關鍵組成部分99
5.5.1電流阻斷層103
5.5.2性能和成本105
5.6體GaN襯底的作用106
5.7RF應用的CAVET107
5.8結論107
參考文獻108
 
第6章GaN基納米線電晶體110
6.1簡介110
6.1.1自下而上的納米線器件：GaN納米線場效應電晶體111
6.1.2自上而下的納米線器件113
6.2三柵GaN功率MISFET114
6.2.1三柵GaN功率電晶體的其他考慮116
6.3用於RF應用的納米線：增加gm的線性度120
6.4納米結構的GaN肖特基勢壘二極體122
6.4.1GaN SBD的納米結構陽極123
6.5結論126
參考文獻127
 
第7章深能級表徵：電學和光學方法130
7.1簡介130
7.2DLTS和DLOS基礎131
7.2.1C-DLTS132
7.2.2C-DLOS133
7.2.3C-DLTS和C-DLOS對HEMT的適用性134
7.2.4I-DLTS和I-DLOS135
7.3DLTS和DLOS在GaN HEMT中的應用137
7.3.1利用填充脈衝對陷阱進行空間定位137
7.3.2利用測量偏差對陷阱進行空間定位140
7.3.3測量空間局限性的陷阱的其他方法142
7.4結論143
參考文獻144
 
第8章GaN HEMT的建模：從器件級模擬到虛擬原型146
8.1簡介146
8.2器件級模擬148
8.2.1脈衝模式行為149
8.3非優化的緩衝技術150
8.4優化的緩衝層工藝154
8.4.1AC電容155
8.4.2關斷態擊穿157
8.5Spice模型開發和校準159
8.6應用板的特性和模擬161
8.6.1正常關斷pGaN電晶體163
8.6.2正常開啟HEMT：共源共柵設計165
8.7結論170
參考文獻171
 
第9章GaN基HEMT中限制性能的陷阱：從固有缺陷到常見雜質173
9.1表面相關的俘獲177
9.2Fe摻雜的影響179
9.2.1深能級E2的特性及Fe摻雜的影響180
9.2.2E2陷阱的起源182
9.2.3電應力對俘獲機制的影響183
9.3C摻雜的影響185
9.4金屬絕緣體半導體高電子遷移率電晶體(MIS-HEMT)的俘獲機制193
9.4.1正柵極偏壓引起的俘獲193
9.4.2快俘獲和慢俘獲機理分析195
9.4.3提高俘獲效應的材料和沉積技術196
參考文獻199
 
第10章矽上共源共柵GaNHEMT：結構、性能、製造和可靠性209
10.1共源共柵GaN HEMT的動機和結構209
10.2共源共柵GaN HEMT的功能和優點210
10.3共源共柵GaN HEMT的關鍵應用和性能優勢211
10.3.1無二極體半橋結構211
10.3.2柵極驅動的考慮212
10.4市場上的產品213
10.5應用和主要性能優勢214
10.5.1圖騰柱功率因數校正（PFC）電路214
10.5.2PV逆變器215
10.5.3帶GaN AC-DC PFC和全橋諧振開關LLC DC-DC變換器的一體式電源216
10.6共源共柵GaN HEMT的認證和可靠性217
10.6.1JEDEC認證218
10.6.2擴展的認證/可靠性測試218
10.6.3工作和本征壽命測試219
10.7卓越製造221
10.8單片上的E模式GaN222
10.9未來展望223
10.9.1下一代產品223
10.9.2智慧財產權考慮223
10.9.3小結223
參考文獻224
 
第11章柵注入電晶體：E模式工作和電導率調製225
11.1GIT的工作原理225
11.2GIT的DC和開關性能228
11.3關於GIT可靠性的最新研究231
11.4GIT在實際開關系統中的應用234
11.5面向未來電力電子的先進GIT技術237
11.6結論240
參考文獻240
 
第12章氟注入E模式電晶體242
12.1簡介：III-氮化物異質結構中的氟：Vth魯棒性控制242
12.2氟注入的物理機制243
12.2.1F等離子體離子注入的原子模型243
12.2.2AlGaN/GaN異質結構中F離子的穩定性245
12.2.3F離子周圍的電子結合能247
12.3F離子注入E模式GaNMIS—HEMT249
12.3.1GaN MIS—HEMT249
12.3.2帶有部分凹槽的F離子注入勢壘層的GaNMIS—HEMT252
12.3.3GaN智慧功率晶片255
12.4結論259
參考文獻260
 
第13章GaN高壓功率電晶體的漂移效應262
13.1簡介262
13.2漂移效應及其物理機制262
13.2.1概述262
13.2.2基本物理理解263
13.2.3對器件工作條件的依賴性265
13.3GaN功率開關電晶體中的漂移現象266
13.3.1導通態下的動態電阻（Ron_dyn）266
13.3.2閾值電壓偏移273
13.3.3Kink效應275
13.4技術對策276
13.4.1優化的外延緩衝層設計276
13.4.2減小關鍵器件區域的電場277
參考文獻279
 
第14章額定電壓650V的GaN功率器件的可靠性問題283
14.1簡介283
14.2無Au歐姆接觸的可靠性283
14.2.1歐姆接觸可靠性簡介283
14.2.2無Au歐姆接觸件的加工284
14.2.3應力和測量順序284
14.2.4無Au歐姆接觸的可靠性評估286
14.2.5結論290
14.3MIS—HEMT柵極介質的可靠性292
14.3.1簡介292
14.3.2實驗292
14.3.3正向偏置條件下對洩漏電流的分析294
14.3.4反向偏壓條件下對洩漏電流的分析295
14.3.5體SiN缺陷態分析297
14.3.6TDDB研究298
14.3.7結論299
14.4緩衝層堆疊可靠性——關斷態高壓漏極應力300
14.4.1簡介300
14.4.2電流傳導機制301
14.4.3高溫反向偏置302
14.4.4高壓關斷態漏極應力303
14.4.5結論303
參考文獻304
 
第15章GaN電晶體的開關特性：系統級問題307
15.1E模式和共源共柵GaN的開關特性307
15.1.1開關損耗機制307
15.1.2封裝影響309
15.1.3硬開關與軟開關的比較312
15.2共源共柵GaN的特殊問題313
15.2.1封裝對柵極擊穿的影響313
15.2.2電容失配的影響314
15.3GaN器件的柵極驅動器設計319
15.3.1di/dt問題319
15.3.2dv/dt問題320
15.4系統級影響322
15.4.13D集成的負載點變換器322
15.4.2隔離的DC—DC變換器324
15.4.3MHz級圖騰柱PFC整流器327
15.4.4高密度插牆式適配器328
15.5結論331
參考文獻331