硅基AlGaN/GaN HEMT高K介质体电场优化设计与机理研究
批准号：
62104176
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
曹震
依托单位：
学科分类：
半导体电子器件与集成
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
曹震
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
本项目针对国家发展对高端硅基氮化镓功率器战略需求，聚焦高耐压、高性能、高能效硅基AlGaN/GaN HEMT器件研究前沿。围绕硅基AlGaN/GaN HEMT器件击穿电压受限制科学问题，基于介质RESURF和体电场调制理论，开展新型硅基AlGaN/GaN HEMT器件设计和模型机理研究，旨在提出有效提升硅基AlGaN/GaN HEMT器件耐压性能新方法。首先，设计具有高K介质沟槽体电场调制的新型硅基AlGaN/GaN HEMT器件结构并进行性能优化；其次，通过器件性能仿真、工艺仿真和关键工艺实验，全面综合分析器件电学性能，获得新型器件实现的可行性方案。最后，建立新型器件关于高K介质体电场调制的物理模型和总耐压模型，阐明高K介质体电场调制的物理机制和器件关键参数优化设计条件，为新型器件的设计提供理论指导。为具有自主知识产权的高耐压高性能硅基GaN功率器件提供技术支撑。
英文摘要
In response to the national development's strategic demand for high-end GaN-on-Si power devices, this project focuses on the frontier research on high-voltage, high-performance, and high-efficiency GaN-on-Si AlGaN/GaN HEMT. Focusing on the scientific problem of the limited breakdown voltage of GaN-on-Si AlGaN/GaN HEMT, based on dielectric RESURF and bulk electric field modulation theory, carry out research on the design and model mechanism of new GaN-on-Si AlGaN/GaN HEMT, aiming to propose an effective improvement of GaN-on-Si AlGaN/GaN. A new method for the breakdown voltage performance of GaN-on-Si AlGaN/GaN HEMT is proposed. First, design a new GaN-on-Si AlGaN/GaN HEMT device structure with a high-K dielectric trench for body electric field modulation and perform performance optimization; Secondly, through device simulation, process simulation, and key process experiments, comprehensively analyze the electrical performance of the device to obtain a new type feasibility scheme for device realization. Finally, the physical model and the total breakdown voltage model of the electric field modulation of the high-K dielectric trench of the new device are established, to clarify the physical mechanism of the high-K dielectric bulk electric field modulation and the optimization design conditions of the key parameters of the device, which provides theoretical guidance for the design of the new device. In short, it is planned to carry out a series of research work such as new device design, simulation optimization, process experiment exploration, and device modeling, to provide technical support for high breakdown voltage and high-performance GaN-on-Si power devices with independent intellectual property rights.
本项目聚焦于国家对高端硅基氮化镓（AlGaN/GaN）功率器件的战略需求，特别是针对高耐压、高性能和高能效的硅基AlGaN/GaN HEMT器件的研究，旨在突破现有器件在耐压提升方面的瓶颈，推动技术在功率电子、通信、能源等领域的广泛应用。基于介质RESURF效应和体电场调制理论，本项目提出通过设计高K介质沟槽体电场调制的新型硅基AlGaN/GaN HEMT器件，提升其耐压性能。该方法结合高K介质材料与体电场调制技术，突破传统器件因外延层厚度限制的耐压瓶颈。在研究过程中，项目首先通过高K介质体电场调制技术设计新型器件，采用高介电常数材料填充沟槽结构，调控器件内部电场分布，从而提升耐压性能。随后，进行器件性能仿真、工艺仿真及关键工艺实验，全面分析新型器件的电学特性，验证其耐压提升的可行性。仿真与实验结果表明，该器件在不增加外延层厚度的情况下，成功实现了耐压性能的提升，解决了传统设计中外延层厚度与性能之间的矛盾。此外，项目还建立了高K介质体电场调制的物理模型和总耐压模型，揭示了体电场调制机制及器件关键参数的优化设计条件。这一理论模型为新型器件设计提供了重要支持，并为相关领域的研究提供了指导。项目的创新性研究不仅为高耐压硅基AlGaN/GaN HEMT功率器件的设计提供了新的思路，还为高性能硅基氮化镓功率器件的发展奠定了技术基础，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。在项目的支持下，已取得一系列重要成果。项目组已在国际和国内知名期刊上共发表了5篇学术论文，其中包括3篇SCI论文和1篇综述论文。此外，项目组还在EI会议上发表了2篇论文。另一方面，项目组已授权发明专利1项，并受理了4项发明专利，丰富了项目的知识产权成果。此外，项目组还出版了本科生教材1本。本项目的研究突破了硅基AlGaN/GaN HEMT器件耐压提升的瓶颈，为高端功率器件设计提供了新的技术路径，推动了自主知识产权的高性能硅基氮化镓功率器件的产业化发展。
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