楊媛媛
(貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系,凱里556000)
功率電子器件在能源各領(lǐng)域中都起著重要作用。功率電子器件可通過器件開關(guān)實(shí)現(xiàn)器件內(nèi)一系列電能的轉(zhuǎn)換,隨著其形式的不斷演化,功率電子器件性能也有所改進(jìn)。這種改進(jìn)性能不僅提升了能量轉(zhuǎn)換效率,還加強(qiáng)了系統(tǒng)裝置的能量處理能力,與此同時(shí),也使得功率密度的增長(zhǎng)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。第一代半導(dǎo)體Si已經(jīng)無(wú)法滿足功率電子器件的應(yīng)用,GaN材料逐漸走進(jìn)大眾視野。GaN憑借其電子遷移率高、電子飽和速度快等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為下一代功率電子器件開關(guān)材料的理想選擇,故進(jìn)一步改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)是當(dāng)前熱門的研究話題。
目前半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件仍處于初級(jí)發(fā)展階段,存在許多不足[1-2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)第三代半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件進(jìn)行了研究和分析,因傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和封裝方式會(huì)加重GaN器件在高速開關(guān)狀態(tài)下的寄生效應(yīng),該方法對(duì)驅(qū)動(dòng)和封裝層面進(jìn)行設(shè)計(jì),提升器件的工作特性;文獻(xiàn)[4]研究了AlGaN/GaN HEMT耐壓新結(jié)構(gòu)及開關(guān)特性,對(duì)提高GaN功率器件耐壓能力的技術(shù)進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有局部背勢(shì)壘的GOI HFET耐壓新結(jié)構(gòu),結(jié)合自發(fā)極化效應(yīng)的原理,利用AlGaN局部背勢(shì)壘層和GaN溝道層界面電荷平衡后的電荷消耗一部分二維電子氣 2DEG(two-dimensional electron gas)濃度,有效提高器件的擊穿電壓;文獻(xiàn)[5]提出了一種在系統(tǒng)規(guī)模較小的情況下提高GITs開關(guān)頻率的方法。首先介紹了降低導(dǎo)通電阻、提高擊穿電壓和抑制電流損傷等技術(shù),并分析了由柵極驅(qū)動(dòng)器、GIT控制系統(tǒng)組成的DC/DC變換器集成電路對(duì)變換器性能的影響,結(jié)合雙向控制模型提高GITs開關(guān)頻率。上述方法對(duì)GaN功率開關(guān)器件進(jìn)行改進(jìn)時(shí),未考慮影響半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件運(yùn)行穩(wěn)定性的因素。
為進(jìn)一步加強(qiáng)GaN功率開關(guān)器件運(yùn)行的穩(wěn)定性,提升半導(dǎo)體GaN的使用性能,需改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件結(jié)構(gòu),優(yōu)化器件使用性能。由于集電極-發(fā)射極擊穿電壓和飽和壓降是權(quán)衡半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[6],因此本文考慮集電極-發(fā)射極擊穿電壓和飽和壓降因素,改進(jìn)了半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)。
半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的安全工作范圍是衡量器件可靠性的重要指標(biāo),其安全工作范圍分為2種類型,即直流安全工作區(qū)和脈沖安全工作區(qū)。直流安全工作區(qū)比脈沖安全工作區(qū)小,在實(shí)際應(yīng)用器件過程中用戶需要參考直流安全工作區(qū)。因此,在半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的改進(jìn)過程中,需考慮影響其直流安全工作區(qū)范圍的全部因素。
半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件直流安全工作區(qū)受多種因素影響。這些因素主要包括集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCEO、直流二次擊穿臨界電壓VSB、最大耗散功率PCM和飽和壓降,其中最重要的是集電極-發(fā)射極擊穿電壓VCEO和飽和壓降,該參數(shù)設(shè)置不當(dāng)易導(dǎo)致開啟電壓過高、功率耗損極大,甚至燒毀器件。因此在改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件過程中,應(yīng)充分考慮集電極-發(fā)射極的擊穿電壓VCEO和飽和壓降這2個(gè)參數(shù)的影響,在詳細(xì)分析這2個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的結(jié)構(gòu),改進(jìn)過程中應(yīng)留有充分余量,避免上述問題發(fā)生。
考慮半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件集電極-基極擊穿電壓和集電極-發(fā)射極擊穿電壓間的關(guān)系,有
式中:VCEO為定值下的集電極-發(fā)射極擊穿電壓;VB為單邊突變基極雪崩擊穿電壓,VCEO略小于VB;β為碰撞電離形成正離子數(shù)量;根據(jù)以往研究半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件經(jīng)驗(yàn)將n確定為數(shù)值4[7]。則VB計(jì)算公式為
式中:ρ為半導(dǎo)體材料電阻率;NC為半導(dǎo)體制備方法和單邊突變結(jié)本身制備工藝參數(shù)。從式(2)中可以看出,單邊突變基極擊穿電壓與ρ和NC成正比,隨著半導(dǎo)體材料電阻率、半導(dǎo)體制備方法和單邊突變基極本身制備工藝的不斷提升[8],單邊突變基極的擊穿電壓也隨之增加。
半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件在放大工作區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),集電極處于截止?fàn)顟B(tài),半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件可從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)節(jié)點(diǎn)流可迅速擴(kuò)散,將金屬接觸電阻和未經(jīng)過電導(dǎo)調(diào)制的串聯(lián)電阻融合得到半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的等效電阻[9],融合集電區(qū)串聯(lián)電阻電壓和發(fā)射結(jié)電壓得到其電壓。但因集電極串聯(lián)電阻過大,集電區(qū)上的壓降可近似看做與半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的壓降相等。
當(dāng)GaN功率開關(guān)器件進(jìn)入飽和區(qū)時(shí),集電極處于正偏狀態(tài),集電區(qū)內(nèi)將注入大量空穴,空穴導(dǎo)致集電區(qū)內(nèi)發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象,集電區(qū)內(nèi)電阻壓降下降,飽和壓降也隨之下降。當(dāng)集電區(qū)內(nèi)注入空穴時(shí),電導(dǎo)調(diào)制全部高阻區(qū),GaN功率開關(guān)器件電阻會(huì)不斷下降,直到電阻滿足飽和區(qū)要求。此時(shí),GaN功率開關(guān)器件與串聯(lián)電阻上的壓降相同[10]??梢?,集電區(qū)厚度與所有串聯(lián)電阻有關(guān),且GaN功率開關(guān)器件飽和壓降隨集電區(qū)厚度變化而改變,即集電區(qū)厚度影響集電區(qū)串聯(lián)電阻和半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件飽和壓降。
功率管理系統(tǒng)中最基本單元管理器件是二極管,目前GaN基二極管主要采用平面肖特基勢(shì)壘二極管,而平面肖特基勢(shì)壘二極管存在集電極-發(fā)射集擊穿電壓和飽和壓降輸出不合理的問題,致使開啟電壓過高,耗損大量功率狀況時(shí)有發(fā)生[11]。因此研究低開啟電壓GaN基二極管,即采用絕緣柵混合陽(yáng)極二極管取代平面肖特基勢(shì)壘二極管,解決集電極-發(fā)射集擊穿電壓和飽和壓降輸出不合理問題,改善器件開啟電壓過高和耗損功率較大的狀況。
1.3.1 器件結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)GaN開關(guān)器件結(jié)型柵結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后的器件結(jié)構(gòu)橫截面示意如圖1所示。
由圖1可見:改進(jìn)前GaN開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,僅由Si組成開關(guān)器件襯底,通過柵極的P型GaN或AlGaN層抬高溝道的勢(shì)壘,實(shí)現(xiàn)器件常關(guān),但該層摻雜過程難度較大且復(fù)雜。肖特基柵極和歐姆陽(yáng)極金屬短接組成半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件陽(yáng)極,歐姆金屬為半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的陰極,這種結(jié)構(gòu)組合下器件集電極-發(fā)射極擊穿電壓和飽和壓降參數(shù)合理。肖特基柵極根據(jù)凹槽刻蝕技術(shù)調(diào)控陽(yáng)極和陰極間溝道二維電子氣濃度,調(diào)控正向開啟電壓。在柵金屬下積淀高k介質(zhì)降低反向泄露電流,這種新型結(jié)構(gòu)能充分調(diào)動(dòng)正向開啟電壓,器件反向阻斷能力也隨之增強(qiáng)[12]。
改進(jìn)的半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件在結(jié)構(gòu)上具有顯著特點(diǎn)。①改進(jìn)器件是凹槽柵結(jié)構(gòu),凹槽柵刻蝕緊挨陽(yáng)極的歐姆金屬溝道,消耗了凹槽位置的2-DEG,實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的開啟和關(guān)閉;②改進(jìn)器件中含有Al2O3介質(zhì),Al2O3是從原子層積淀工藝生長(zhǎng)出來的,是高k介質(zhì)層,絕緣性較好,能將器件中反向泄露電流降低;③改進(jìn)器件中具有混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu),肖特基陽(yáng)極和歐姆陽(yáng)極直接接觸構(gòu)成器件陽(yáng)極,2個(gè)陽(yáng)極具備各自功能,通過肖特基陽(yáng)極控制溝道開啟和關(guān)閉,通過歐姆陽(yáng)極減少器件導(dǎo)通電阻,混合陽(yáng)極結(jié)構(gòu)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)2種功能[13],顯著減少器件開關(guān)磨損消耗狀況。
1.3.2 器件制作流程
改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的主要制作技術(shù)是隔離、鈍化、凹槽刻蝕和介質(zhì)淀積。制作步驟如下。
步驟1在高溫中快速熱退火。該步驟要合理控制退火時(shí)間和退火溫度,通過蒸發(fā)歐姆金屬和高溫快速熱退火實(shí)現(xiàn)歐姆接觸的優(yōu)化。
步驟2對(duì)優(yōu)化后的歐姆進(jìn)行臺(tái)面隔離、表面鈍化開孔,改善歐姆陽(yáng)極質(zhì)量,令歐姆陽(yáng)極變得更加緊密[14]。
步驟3采用凹槽刻蝕的手段減少數(shù)字化損傷,提高表面處理工藝后,積淀介質(zhì)并退火,減少器件反向柵極泄露電流,表面漏電值降低。
步驟4積淀肖特基金屬并進(jìn)行表面鈍化,終結(jié)GaN層表面產(chǎn)生的懸掛點(diǎn),增加表面化學(xué)穩(wěn)定性,并且減少后續(xù)裝配和封裝工藝中出現(xiàn)的化學(xué)沾污和機(jī)械損傷現(xiàn)象[15]。
上述器件詳細(xì)制備過程如圖2所示。
為驗(yàn)證本文所提對(duì)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的有效性,將電子負(fù)載儀等儀器采集到的數(shù)據(jù)輸入至PC端中,運(yùn)用Matlab7.0建立仿真模型,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中測(cè)試儀器型號(hào)如表1所示。
表1 測(cè)試儀器型號(hào)Tab.1 Types of test instrument
將改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的發(fā)射區(qū)半寬度設(shè)置為120 μm,高阻集電區(qū)厚度設(shè)置為120 μm,并設(shè)計(jì)如下仿真驗(yàn)證。圖3為仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
分別選取高阻集電區(qū)電阻率為52、59、66和73 Ω·cm,對(duì)改進(jìn)的半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件進(jìn)行仿真測(cè)試。電阻率對(duì)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件集電極-發(fā)射極擊穿電壓的影響如圖4所示。
分析圖4可知,如果高阻集電區(qū)厚度大于發(fā)生集電極-發(fā)射極擊穿電壓,集電區(qū)一側(cè)的拓展長(zhǎng)度是集電極空間電荷區(qū),那么高阻集電區(qū)電阻率將影響改進(jìn)后半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件集電極-發(fā)射極擊穿電壓。高阻集電區(qū)電阻率與集-射擊穿電壓成正比,即隨著電阻率的不斷增長(zhǎng),集電極-發(fā)射極的擊穿電壓也在不斷增長(zhǎng)。為滿足參數(shù)指數(shù)要求,集電極-發(fā)射極擊穿電壓應(yīng)高于850 V,所以,改進(jìn)器件高阻集電區(qū)電阻率應(yīng)大于66 Ω·cm,考慮改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)時(shí)留有一定余量,將電阻率選擇為66~73 Ω·cm,此區(qū)間的電阻率為最優(yōu)電阻率,滿足改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的需求。
集電區(qū)厚度變化影響改進(jìn)后半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件飽和壓降,通過實(shí)驗(yàn)研究改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件應(yīng)選取的高阻集電區(qū)厚度。設(shè)置4種高阻集電區(qū)厚度 d 分別為 81、86、91 和 96 μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
分析圖5可知,當(dāng)集電極電流相同時(shí),高阻集電區(qū)厚度與改進(jìn)后續(xù)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件飽和壓降成正比,即隨著高阻集電區(qū)厚度的增加,器件飽和壓降也隨之增加,故改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件應(yīng)選擇高阻集電區(qū)最小區(qū)域,即81~84 Ω·cm,此時(shí)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件集電極-發(fā)射極擊穿電壓仍大于850 V。
改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件禁帶寬帶大,具有較高的熔點(diǎn),在高溫狀態(tài)下能正常工作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試其在24℃、85℃和145℃的特性,從正向溫度和反向溫度兩方向展開測(cè)試對(duì)比。
2.3.1 正向溫度特性分析
改進(jìn)器件的正向溫度特性測(cè)試結(jié)果如圖6所示。
分析圖6可知,當(dāng)測(cè)試溫度不斷升高時(shí),改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件正向工作電流不斷降低;正向電壓為3 V時(shí),85℃和145℃下正向工作電流分別是0.40 A/mm和0.27 A/mm。
不同溫度下,改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件工作電壓與比導(dǎo)通電阻的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可見:當(dāng)溫度升高時(shí),改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的工作電壓和比導(dǎo)通電阻都與溫度成正比,即隨著溫度升高,工作電壓和比導(dǎo)通電阻均不斷增大;當(dāng)溫度為24℃時(shí),改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件工作電壓為1.4 V,當(dāng)溫度升高至85℃和145℃時(shí),其工作電壓分別是1.61 V和1.87 V,對(duì)比可見,145℃時(shí)的電壓增長(zhǎng)33.5%;在常溫狀態(tài)下,改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件比導(dǎo)通電阻是0.59 mΩ·cm2,而85℃和145℃時(shí)比導(dǎo)通電阻分別是0.87 mΩ·cm2和 1.12 mΩ·cm2,對(duì)比常溫狀態(tài)下 145 ℃的比導(dǎo)通電阻增大89.8%。從圖7中還可以明顯看出,隨著溫度增加,改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的工作電壓與比導(dǎo)通電阻也隨之增加,電壓、比導(dǎo)通電阻與溫度成正比,當(dāng)溫度不斷升高時(shí),減弱器件電離雜質(zhì)散射作用,增強(qiáng)晶格振動(dòng)散射,減少溝道中電子遷移率,減弱溝道對(duì)電子限域性,導(dǎo)致器件正向特性退化,因此改進(jìn)后器件的高溫特性較優(yōu)。
2.3.2 反向溫度特性分析
選取器件的漂移區(qū)長(zhǎng)度 10 μm、20 μm,測(cè)試其不同溫度的反向溫度特性,結(jié)果如圖8所示。
從圖8可以看出,漂移區(qū)長(zhǎng)度為10 μm時(shí),器件在85℃時(shí)反向擊穿電壓最高達(dá)到830 V,在145℃仍可以很好地抑制器件反向漏電狀況出現(xiàn),電流低于10-5mA/mm;145℃時(shí),漂移區(qū)長(zhǎng)度為10 μm和20 μm時(shí),器件反向擊穿電壓分別是712 V和1 040 V。
測(cè)試不同漂移區(qū)長(zhǎng)度下半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的反向耐壓隨溫度的變化情況,測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可見,在24~145℃之間,曲線變化幅度較小,因此改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件具有適宜的溫度依賴特性,表明:在改進(jìn)后,半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件混合陽(yáng)極能高效抑制高溫狀態(tài)下出現(xiàn)的漏電,有效避免器件燒毀問題。
半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件受集電極-發(fā)射極擊穿電壓和飽和壓降等參數(shù)影響,其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)需要滿足實(shí)際要求。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮器件開啟電壓過高、功率耗損極大致使器件燒毀的問題。本文采用絕緣柵混合陽(yáng)極二極管取代平面肖特基勢(shì)壘二極管,解決集電極-發(fā)射集擊穿電壓和飽和壓降輸出不合理的問題;通過采用肖特基柵極和歐姆陽(yáng)極金屬短接組成半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件陽(yáng)極以及歐姆金屬為半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件陰極,這種新型結(jié)構(gòu)能充分調(diào)動(dòng)正向開啟電壓,有效避免開啟電壓過高、功率耗損極大以及器件燒毀的問題,器件反向阻斷能力也隨之增強(qiáng)。通過蒸發(fā)歐姆電阻、凹槽刻蝕和肖特基金屬淀積等過程完成器件制作。
對(duì)改進(jìn)器件進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果顯示:電阻率的選擇區(qū)間為66~73 Ω·cm時(shí),能夠滿足改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件的需求;同時(shí)隨著高阻集電區(qū)厚度的增加,改進(jìn)半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件飽和壓降也隨之增加,應(yīng)選擇高阻集電區(qū)最小區(qū)域,即81~84 Ω·cm;通過溫度特性測(cè)試發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件工作電壓與比導(dǎo)通電阻也隨之增加,溫度與電壓、比導(dǎo)通電阻成正比,表現(xiàn)出較優(yōu)的耐高溫性能。改進(jìn)的半導(dǎo)體GaN功率開關(guān)器件性能大大提升,有效提升了其在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。