电力论文哪里有？本课题提出了基于氮等离子体处理的终端结构与基于氟离子注入的终端结构，均可将击穿电压提升近 2 倍，漏电流降低超过 4 个数量级。通过紫外光电子能谱等测试验证了氮等离子体处理终端的机理，可通过氮等离子体处理在结边缘增大有效势垒高度或势垒宽度，降低热场发射或隧穿的阻断漏电流成分。
第一章 绪论
1.3 平面型与垂直型氮化镓器件
目前Ga N器件主要有两种技术路线，平面型与垂直型。平面型Ga N器件通常基于非本征衬底，如Si、SiC、蓝宝石（Sapphire）等。早期高质量单晶Ga N衬底难以实现，只能通过非本征衬底上生长异质外延Ga N，由于衬底外延界面早期难以实现导通，因此利用异质结的平面型GaN 器件逐渐成为了主流。随着近年高质量单晶GaN 衬底的商业化，与垂直型Si或SiC电力电子器件结构相近的垂直型Ga N（GaN-on-GaN）器件得到快速发展。
1）失配问题：GaN -on-Si由于衬底和外延使用不同半导体，在材料生长时难以避免17%的晶格失配，高温时难以避免54%的热膨胀系数失配。而GaN-on-GaN由于衬底和外延均使用同种材料，因而不存在晶格失配和热膨胀失配。
2）外延结构：对于Ga N-on-Si，为了在Si衬底上生长GaN 异质外延，需要使用复杂的缓冲层结构以实现过渡，且GaN 外延由于应力问题厚度通常小于5 μm。而对于GaN-on-GaN，由于不存在失配，通常可以直接在衬底上生长电学功能层，且Ga N外延厚度可达10‒40 μm。
3）位错问题：由于异质外延的失配，GaN -on-Si的位错密度高达108‒1010 cm-2。而同质外延不存在失配，GaN-on-GaN的位错密度可低至104‒106 cm-2。
4）掺杂问题：由于较为复杂的缓冲层结构和异质外延生长，平面型Ga N-on-Si外延存在一定的背景杂质，为实现较高器件耐压则需要通过故意掺杂施主杂质以补偿背景掺杂并提高外延电阻率，这是在平面型Ga N-on-Si器件中实现高压的前提条件，但同时会引入较多的缓冲层陷阱。而对于GaN-on-GaN结构，其外延通常不需要进行补偿掺杂，因而体内陷阱效应得以改善。
第三章 垂直型氮化镓二极管的静态特性
3. 1 导通特性及载流子输运机理
3.1.1 肖特基二极管的肖特基界面优化与模型
（1）肖特基界面理论及优化
理论上讲，肖特基势垒高度（Schottky barrier height, SBH）决定于半导体的亲和势和金属材料的功函数之差。实际器件中，肖特基势垒高度通常低于理论值。势垒的下降主要由于界面态、非均匀性以及其他理想因素[89]。为了理解界面载流子输运机制并实现高性能SBD，肖特基界面质量的准确提取及工艺优化至关重要。
图 3.1 展示了不同退火温度下的肖特基势垒高度及理想因子，均通过室温时的 SBD 导通 I‒V 特性曲线提取。在未经历退火时，理想因子~1.20，肖特基界面不够理想；在经历250 °C 退火后，理想因子为 1.03，肖特基势垒高度小幅提升至 0.97 eV；在经历 350 °C 退火后，理想因子为 1.04，肖特基势垒高度大幅提升至 1.17 eV；在经历 450 °C 退火后，理想因子显著上升至 1.15。从实验结果可以看出，适宜的退火温度可以提升肖特基界面质量，这主要是由于增强了金属和半导体表面的粘附性，同时可以去除界面氧化层并减少界面态密度[80, 81]，而过高的温度则会导致肖特基接触退化，非理想载流子输运机制产生。对于肖特基势垒高度，在一定的温度范围会随着退火温度的增大而上升，而在过高的退火温度下随着肖特基界面的退化而降低。类似本实验中随退火温度非单调变化的理想因子和肖特基势垒高度，在文献中被广泛报道[90-92]。为实现较高的肖特基界面质量，本项目中采用 250 °C及 350 °C 的肖特基退火温度。对于 NT-SBD，为实现更小的漏电流和更大的击穿电压，采用势垒高度更高的 350 °C 退火条件；而对于 FIT-SBD 和 FIT-TD，为实现阻断性能和导通性能的均衡，采用势垒高度较低的 250 °C 退火条件。
第四章 垂直型氮化镓二极管的动态特性
4. 1 测试电路设计
4.1.1 双脉冲测试电路
双脉冲测试广泛应用于功率器件的动态特性评估，顾名思义，是指通过对开关管施加两个栅极脉冲的测试。在双脉冲过程中，器件通常会经历开通和关断的过程，从而对器件实际工况下常见的动态特性（如开通/关断延迟、上升/下降时间以及开关损耗等）做出简单有效的评估。本节中的双脉冲测试电路主要用于测试表征器件的反向恢复特性、器件的瞬态导通特性。
图 4.1 展示了双脉冲电路的基本原理图。在功率回路中串联开关管与二极管，二极管作为被测器件（Device under test，DUT）两端并联负载（通常为感性负载）。
（1）反向恢复特性
双脉冲测试电路常见的用途在于评估器件的反向恢复特性，即器件从导通特定电流的导通状态进行关断并阻断特定电压时的特性。图 4.2 展示了通过双脉冲电路测试反向恢复特性的波形示意图。初始状态下（0‒t1），开关管关断，各处电流均为 0；当开关管栅极施加第一个脉冲信号开通（t1‒t2），被测二极管从零电流状态进入反向阻断状态，电感电流逐渐增大；当开关管第一次关断（t2‒t3），电感电流无法立刻降为 0，而是通过被测二极管进行续流，被测二极管从反向阻断状态进入续流电流状态；当开关管栅极施加第二个脉冲信号开通（t3‒t4），被测二极管从续流电流状态迅速切换至阻断状态，电感电流逐渐增大；当开关管第二次关断（t4‒最终），电感电流再次通过被测二极管进行续流，并在电感存储的能量全部释放后各处电流最终降为零。
4. 2 双极型氮化镓二极管的动态等级电导调制特性
如 3.1.3 节的讨论，本工作的垂直型 GaN -on-GaN PND 在静态导通时表现出随导通电压的升高而降低的电阻特性，甚至低于各部分电阻之和的理论计算值。静态电阻随导通电压的升高而降低，这也在其他垂直型 GaN PND 的相关工作中被报道[129-133]。这为垂直型GaN -on-GaN PND 的电导调制现象提供了静态等级的证据。
除了静态导通特性，施加固定偏置后的瞬态导通特性常在基于 Si 或 Ge 半导体的 PND中用于评估空穴注入和电导调制现象。瞬态导通特性的差异可以反映漂移区电导随注入少数在载流子的变化[134]。当 PND 导通后，因载流子注入并在漂移区中建立电荷梯度需要时间[134]，因而电流在瞬态导通时会随时间变化，该变化受漂移区被注入少子调制程度的影响[134]，在 Si 或 Ge 双极型器件中已通过实验[134-136]或建模[137, 138]得到验证。施加固定电流后的瞬态电压漂移可以从~101 mV 等级变化至~103 mV 等级[134-136]，可能受到少数载流子寿命、掺杂浓度、偏置电压等等因素的影响。然而，正向瞬态导通特性，作为一种 Si 或 Ge PND 常见的研究手段，可以对载流子注入和积累进行评估，却在直接带隙垂直型 GaN PND器件上极少有报道。
本节对垂直型 GaN PND 的正向瞬态导通特性进行研究，通过脉冲模式测试、随时间变化的测试和电路级开关测试对瞬态等级的电导调制进行测试表征。为了更清晰地揭示垂直型 GaN PND 中随电导调制而增强的瞬态导通特性，在关键测试中也对比了垂直型 GaN SBD 的相关特性，均以 FIT-SBD 为例。本节讨论了电导调制及其受导通时间、导通电流和温度的决定关系，揭示垂直型 GaN 双极型器件的空穴注入和少数载流子输运机理，讨论了垂直型 GaN 双极型器件在瞬态等级下的电导调制实验证据。
第五章 总结与展望
5. 2 后续工作展望
本课题针对垂直型 Ga N-on-GaN 功率二极管开展了理论研究与实验探索。然而，垂直型 GaN -on-Ga N 功率器件的相关技术仍未成熟，对比已经产业化的 SiC 二极管，仍然存在着以下关键问题：
1）材料成本与质量：目前单晶 GaN 衬底成本较高，价格数倍于 SiC 衬底。且目前商业化的单晶 GaN 衬底尺寸主要为 2‒4 英寸，而商业化的 SiC 晶圆尺寸主要为 6‒8 英寸，这使得 Ga N-on-GaN 器件的实际生产效率较低，单个器件流片费用显著高于 Si C 器件。晶圆尺寸与成本是目前 Ga N-on-GaN 器件商业化应用面临的最大问题。由于发展较晚，GaN 材料质量相较于 Si C 仍有较大差距，在位错密度、背景杂质等方面仍然有待提升，制备优异特性的较大尺寸器件存在难度，从而限制了 GaN -on-Ga N 器件的应用。
2）长期可靠性：由于 GaN 材料存在极性且表面较为敏感，其长期可靠性问题较为复杂，目前仍然缺乏系统、全面的垂直型 GaN -on-GaN 器件的长期可靠性的研究。垂直型 GaN 器件长期可靠性的研究，需要依托于材料和工艺的逐步成熟和稳定，将是一个复杂的长期的过程。
从长远来看，本课题所开展的研究工作还只是垂直型 GaN -on-Ga N 器件发展的一个开端，后续还有很多工作需要进行，包括：
（1）垂直型 GaN -on-GaN 二极管电压等级的提升
本工作研制的垂直型 Ga N-on-GaN 单极型二极管已接近或达到 1 kV 击穿电压，且反向漏电流特性已接近肖特基势垒高度决定的理论特性，1 kV 也是通常认为的 SBD 的工作电压等级。而对于垂直型 GaN -on-GaN PND，尽管本工作研制的 NIT-PND 击穿电压可达1.8 kV，但 GaN PND 理论上可实现更高的击穿电压且需要具备雪崩能力。更高的击穿电压要求更大厚度的外延，同时可能需要更为复杂的外延结构（如渐变掺杂外延层）或更为复杂的终端结构（如复杂场板结构），以上技术都充满挑战。
（2）垂直型 GaN -on-GaN 二极管电流等级的提升
电流等级的提升需要器件具有更高的器件面积、更低的比导通电阻、更低的器件热阻。器件面积的提升对Ga N-on-GaN 材料提出了更高的要求，需要在较大尺寸存在更少的缺陷。更低的比导通电阻与器件热阻可通过衬底减薄技术或剥离技术实现，有望获得更大功率的GaN -on-GaN 器件。同时，也可以利用 Ga N-on-Ga N 的双极型电导调制进一步降低大电流下的比导通电阻。电流等级的提升有利于将垂直型 GaN -on-GaN 功率器件推广至高电流、大功率的电力电子应用领域。
参考文献（略）
