1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的及意义

1.1研究背景

在电力电子行业的发展过程中，半导体技术起到了决定性作用。其中，功率半导体器件一直被认为是电力电子设备的关键组成部分。随着电力电子技术在工业、医疗、交通、消费等行业的广泛应用，功率半导体器件直接影响着这些电力电子设备的成本和效率。自从二十世纪五十年代真空管被固态器件代替以来，以硅(Si)材料为主的功率半导体器件就一直扮演着重要的角色。功率双极性晶体管及晶闸管的问世，大大减小的电力电子设备的体积重量，同时提高了变换效率。为了满足更高工作频率及更高功率等级的要求，IR(International Rectifier)公司研发出首款功率MOSFET，接下来的二十年，功率半导体器件进入一个蓬勃发展的时期，很多新型的功率器件，比如IGBT、GTO、IPM相继问世，并且在相关领域内得到越来越广泛的应用。目前，功率硅器件的应用已经相当成熟，但随着日益增长的行业需求，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。

继硅(Si)和砷化镓(GaAs)之后，半导体材料出现了第三代以碳化硅（SiC）和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，其特点包括临界击穿电场高、饱和电子速度高、电子密度高及导热率高等，是一种适用于高频、高压、高温、大功率的抗辐射等级高的半导体材料。氮化镓是半导体与微电子产业的新星，其高电子能量的特性使其拥有极高的电能转换效率和优秀的高频特性。业界已经公认氮化镓（GaN）半导体器件产品将统治微波放大和电能转换领域，市场规模大于150亿美元。

碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)材料因其优越的物理特性，开始受到人们的关注和研究。直到二十世纪五十年代后半期，才真正被纳入到固体器件的研究中来[1]。

二十世纪九十年代以来，碳化硅、氮化镓技术得到了迅速发展。图1. 1所示为SiC、GaN与砷化镓(GaAs)、传统Si材料的物理特性比较[2]。其优点主要可以概括为以下几点：

图1.1 材料的物理特性比较

(1) 高温工作

SiC、GaN在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV至3.3eV，几乎是Si材料的两倍以上。因此，SiC、GaN所能承受的温度更高，一般而言，SiC器件所能达到的最大工作温度可到600 oC。

(2) 高阻断电压

与Si材料相比，SiC、GaN的击穿场强是Si的10倍多，因此SiC器件、GaN器件的阻断电压比Si器件高很多。

(3) 低损耗

一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下，SiC、GaN器件的导通损耗比Si器件小很多。且SiC、GaN器件导通损耗对温度的依存度很小，这与传统的Si器件也有很大差别。

(4) 开关速度快

SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，同时GaN材料的热导系数是Si材料的1.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍多，所以SiC器件能在更高的频率下工作。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。在SiC、GaN MOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC、GaN MOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。

1.2 MOSFET发展现状

功率MOSFET的结构有很多种，目前已经实现的结构有：U型槽栅MOS场效应晶体管(UMOSFET-trench gate MOSFET)，双注入MOS场效应晶体管(DIMOSFET-Double．Implanted MOSFET)，静电感应积累型场效应晶体管(SIAFET-Static Induction injectedAccumulated FET)，减小表面电场MOS场效应晶体管(RESURF MOSFET-Reduced Surface Field MOSFET)，积累沟道MOS场效应晶体管(ACCUFET-Accumulation Channel Field Efiect Transistor)以及三注入功率MOSFET(T12 MOSFET-Triple impanted MOSFET)等等。MOSFET晶体管如图所示：

图1.2 MOSFET晶体管

1.2.1 SiC MOSFET

二十世纪80年代第一个SiC MOSFETs问世[3]，1994年J．W．Palmour等人研制了第一个功率MOSFETs：纵向槽栅MOSFETs[4]，即UMOSFETs。UMOSFETS是一种具有吸引力的功率器件结构，因为基区和源区可以通过外延的方法形成，避免了离子注入和与之相关的高温退火。UMOSFETs的反型沟道位于刻蚀槽的侧墙上，是该结构的期间具有较高的分装密度。但是UMOSFETs有两个缺点：

（1）SiC漂移区较高的电场导致栅氧化层中电场很高。这个问题在槽拐角处更严重。在高漏压下造成栅氧化层迅速击穿，这样，最大工作电压限制在小于理想击穿电压的40％；

（2）沿着槽侧壁反型沟道中的载流子迁移率很低，这样就导致高的特征导通电阻，使SiC低漂移区电阻的优势发挥不出来。为解决氧化层电场过高的问题，J．A．Cooper等人提出了一种新的结构[5]，在槽的底部设计一层P型参杂区，使槽底的电场从氧化层／SiC界面转移到P型区和n型漂移区所构成的pn结上，因此保护了氧化层。Y．Li[6]等人首次报道了具有槽氧化层保护和结终端扩展(JTE)的4H-SiC纵向UMOSFETs，其阻断电压可达3360V，特征导通电阻为199mΩ·cm2。品质因素VB2/Ron，sp为77MW／cm2。2008年Morteza等人提出一种基于6H-SiC的积累性UMOSFET结构[7]，通过改变特定区域的掺杂浓度，该结构得到了1400V的击穿电压，6.5 mΩ·cm2的特征导通电阻。

避免槽栅拐角氧化层击穿的一个明显的方法就是消除这个拐角。1996年的报道中介绍了平面双注入DMOSFETs[8]。1998年Siemens报道了三注入的MOSFET[9]，得到了1800V的阻断电压和46mΩ·cm2的特征导通电阻，2000年，Kansai Electric Power Company和Cree，Inc．，Durham，NC研制了静电感应型FET[10]。该器件的阻断电压为6.1kV，特征导通电阻为732mΩ·cm2。2004年，Sei-Hyung Ryu等人用掺杂浓度为8×1014cm3、85um厚的外延层研制了4H-SiC DMOSFET[11]，得到了迄今为止最高的阻断电压(10kV)。特征导通电阻为123mΩ·cm2，比以前报道的特征导通电阻下降了42％。2007年Asmita和James A Cooper提出了具有电流扩展层的DIMOSFET[12]，其阻断电压为1050V，特征导通电阻为6.95mΩ·cm2。

虽然纵向结构器件(DMOS，UMOS)具有较低的特征导通电阻而希望被用于分立的器件，但是横向MOSFETs则更适合集成其他电路分以发展功率集成电路。1997年，J．Spitz等人研制了横向MOSFETt[13]，其阻断电压高于那时候可利用的外延层厚度所能允许的电压：2600V，比当时的纵向器件大三倍。LDMOSFET需要大的表面积来提供横向漂移区，但是这可以通过应用RESURF设计技术来最小化。T．Kimoto等人研制了横向SiC较小表面场MOSFET，阻断电压为1620V，特征导通电阻234mΩ·cm2。在RESURF技术中，在P型外延层中注入n型漂移区，简单地通过移动漏使其更进一步远离源区就可以得到任意高的阻断电压，然而实际上，到目前为止，RESURF器件并没有证明可以和SiC纵向MOSFETs竞争。除此之外，RESURF器件对于有源SiC层上面氧化层中的表面电荷是很敏感的，在SiC中，这是一个非常难以解决的问题。

与6H-SiC相比，4H-SiC具有更高的体迁移率并且具有较小的各向异性，这就使得4H-SiC更适用于研制功率器件。因此目前SiC MOSFET的研究重点还是在4H-SiC MOSFET上。通常采用改善氧化工艺和优化器件结构来提高4H-SiC MOSFET的沟道载流子迁移率。

1.2.2 GaN MOSFET

F.Ren在1998年报道了第一个GaN MOsFET[14]，其栅氧化层为Ga203，输出特性较差，不能完全关断且源漏电极表现出肖特基接触的特性。自此，关于GaNMOSFET器件的研究开始了蓬勃的发展。R．Therrien等人在1999年报道了采用远程等离子体工艺的GaN MOS器件低界面缺陷的机理[15]。M．Hong等人也在2000年报道了一个界面态密度较低的GaN MOS系统[16]。同年，K．Matoch研究了n-GaN MOS二极管平带电压正漂的现象，将之归结于热电效应(pyroelectric effect)并通过计算得到GaN的热释电系数为3.7×109 cm-2K-1[17]。在2002年，J．Kim等人用电荷泵方法研究了Sc203/GaN MOS二极管，给出了3.7×109 cm-2总表面态密度值[18]。同样在2002年，K．Lee等人报道了采用液相沉积的方法制作栅氧的GaN MOSFET，得到了48 ms/mm器件跨导值[19]。2003年，H．Wu等人报道了采用光增强的湿氧氧化工艺的GaN MOS二极管并研究了其中界面特性的退火温度依赖性，其报道出的界面态密度约为5×1010 cm-2eVd-1[20]。同年，C．Lee等人报道了采用光电化学氧化制作的以Si02-Ga203为氧化层的GaN MOS二极管，得到的MOS界面态密度大于2×1011 cm-2ev-1[21]。这段时期人们的研究主要集中在不同栅氧化层的GaN MOS系统，主要原因是GaN MOS二极管制作工艺十分简易，研究容易入手。

H．cho等人在2003年通过仿真研究了MgO/GaN MOSFET器件性能的工作温度依赖性，其结果显示出GaN MOSFET非常适合高温应用[22]。2004年，C．Bae等人研究了后氧化等离子体辅助氮化的GaN MOS器件中的界面态降低现象，通过这种工艺处理的MOS二极管，界面特性得到了显著改善[23]。在2005年，H．Lee等人报道了一个Si基板p-GaN上的带有肖特基源漏的n沟道GaN MOSFET，所得到的峰值跨导值为1.6mS/mm[24]。K．Abdullah等人也报道了GaN MOS的电学特性但没有界面态方面的研究[25]。2006年，s．Jallg等人报道了基于Si扩散的增强型GaN MOsFET，然而器件的输出特性在漏电压上明显存在一个阈值，表明器件源漏的欧姆接触性不佳[26]。W.Huang等人在2006年研究了基于n型和p型GaN的MOS电容，得出了GaN MOS的界面态在禁带中非对称的分布特性，结果表明导带一侧的界面态密度要低于价带一侧的界面态密度，得到的界面态密度约为3.8×1010cm-2ev-1[65-66]。2007年，H．K锄bayaslli等人报道了采用Si02作为栅氧的GaN MOSFET，其沟道迁移率为113 cm-2/Vs[29]。w．HuaJlg等人在2009年报道耐压730 v的RESURF结构的GaN MOSFET，并得到了34 mΩcm2的导通电阻[30]。在2009年，T．Chow等人对比了SiC与GaN的MOS系统的界面特性，并研究了制作在干法刻蚀过的GaN样品上的MOS二极管及MOSFET器件，其结果显示在2H-GaN MOSFET中沟道电子陷阱及散射均较小[69-70]。这段时期关于GaN MOSFET器件的报道明显增多，除了对MOS界面的研究，人们开始研究MOSFET源漏极的制作工艺，离子注入和Si扩散工艺已经被用来制作器件源漏极。此外除了GaN M0SFET的基本实现，报道中开始关注器件的性能，GaN MOsFET的沟道迁移率的报道值也突破了100 cm2/Vs。

2010年，D.Kim等人报道了衬底为p-GaN的以Al203为栅氧的增强型GaN MOSFET，得到器件的亚阈值摆幅为365mV/dec[33]。A.Alam等人对比了采用不同界面层处理工艺的GaN MOS结构，并对其进行了不同温度下的测试，研究了所有样品的热电效应[34]。同年，K．Im等人报道了基于AlGaN/GaN斟异质结结构的GaN MOSFET，其给出的迁移率值达到了225cm2Vs[35]。2011年Ao等人报道了硅烷基PECvD制作栅氧的GaN MOSFET，其迁移率值为137cm2Vs[36]。H．KambayaShi报道了大功率增强型的GaN MOSFET，此器件展现出良好的输出特性，其击穿电压为600 V[37]。H．Nakalle等人研究了ALD方式的Al203为栅氧的GaN M0S，发现采用TMAH处理过的样品的界面态密度显著降低，然而该研究中所得到的最低的界面态密度也要超过1012 cm-2V-1s-1，这个值相对较大不利于制作MOSFET[38]。同年，K．Lee研究了具有MgO/MgO-TiO2堆栈栅结构的n沟道GaN MOSFET，器件的亚阈值摆幅为342 mv/dec[39]。K.Kim等人报道了Al203为栅氧的GaN MOSFET，发现采用TMAH表面处理的器件的迁移率值会显著提高，其迁移率值为50 cm2Vs[40]。2012年，c．Y．Tsai等人报道了高介电常数(High-k)LaAl203/Si02栅介质的GaN MOSFET，此器件展示出较高的跨导值136 mS/mm[41]。2013年，z．Xu等人报道了一种自终结栅槽刻蚀技术，用这种方法制作的GaN MOSFET的沟道迁移率为80 cm2Vs[42]。同年，Y．wallg等人报道了峰值迁移率为251cm2Vs的GaN MOSFET，然而，其一矿特性的回滞效应很强，这种情况下提取出来的迁移率的准确性有待进一步确认[43]。在2014年，S．Gu等人报道了原子层沉积(ALD)的Al203为氧化层的GaN MOS电容，研究采用了两步预处理技术，具体包括了带有原位三甲基铝的湿法硫化物钝化和氢等离子体曝光处理，结果显示这种处理减少了A1203/GaN界面态密度以及边界陷阱[44]。这段时期报道出来的GaN MOSFET的沟道迁移率有了很大的提升，同时亚阈值摆幅等参数也受到关注，因为它是决定MOSFET开关速度的重要参数。工艺上，人们开始尝试以ALD方式生长Al2O3作为GaN MOSFET栅氧化层，获得的器件沟道峰值迁移率较高。然而这个峰值仅能维持在一个比较窄的栅压范围对输出电流的贡献有限。此外以Al2O3为栅氧化层的GaN MOSFET的输出曲线普遍表现出较强的回滞效应，器件的可靠性、稳定性成为潜在问题。

因SiO2/SiC材料的高界面态密度，导致器件存在沟道迁移率低，使得正向导通损耗大，这一问题一直是人们的关注点。经研究，氧化层厚度越大，界面态密度越小；掺杂浓度越高（AlGaN），界面态密度也越小。因此，研究新的技术准确表征半导体界面态密度迫不及待。

2. 研究的基本内容与方案

2. 本文研究内容

2.1 基本内容以及目标

本设计的基本内容主要包括五个部分：

（1）研究sic、gan材料的mosfet器件的主要特性，分析当前主流mos管与下一代mos管以及技术趋势。

（2）sic、gan mos管的静态特性建模，包括基本单元m1、体二极管、导通电阻及内部门极电阻和温控电压源电流源建模；sic、gan mos管的动态特性建模，包括寄生电容、非线性电容的建模。

3. 研究计划与安排

第1～2周： 查阅文献，翻译外文资料，了解课题内容；
第3～4周： 了解国内外发展现状以及技术程度，初步确定设计方案；
第5周： 确定最终方案，进行可行性分析，并完成开题报告；
第6～8周： 做中期报告，完成基于MATLAB的SiC、GaN MOSFET建模仿真及分析；
第9～11周： 完成基于MATLAB的SiC、GaN MOSFET驱动电路设计及仿真；

第12～13周： 完成GaN晶体管在LLC谐振变换器中的应用设计；
第14～15周： 撰写论文；
第16周： 论文装订、评阅，论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]陆珏晶.碳化硅 mosfet 应用技术研究[d].南京：南京航空航天大学，2013.

[2]侯峰波.4h-sic功率mosfet特性研究与器件模拟[d].西安：西安电子科技大学，2010.

[3]j.w.palmour，h．s．kong and r．f．davis．“high-temperature depletion mode metal-oxide semiconductor field-effect transistors in beta ic thin films．” appl.phys.lett，1987，5 1：2028．