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GaN器件击穿电压测试与分析

  器件击穿电压测试平台使用Cascade高压探针台,测试设备使用吉时利(Keithley)2410高压源表,电压测试范围为0~1100V,电流测试范围为0~1A。
 
  测试时栅极电压Vgs=0V,分别测试Lgd为5µm和10µm的两个器件,定义关态下器件漏极电流达到1µA/mm时的Vds值为器件击穿电压值。器件关态击穿电压测试结果如图1所示。
不同Lgd器件的击穿电压测试 
图1 不同Lgd器件的击穿电压测试
 
  从图中可以看出,Lgd=5µm的MIS-HFET器件击穿电压为480V,Lgd=10µm的器件击穿电压为860V。器件的击穿是发生在GaN缓冲层。
Lgd=10m增强型MIS-HFET器件输出特性曲线与导通电阻 
图2 Lgd=10µm增强型MIS-HFET器件输出特性曲线与导通电阻
 
  Lgd=10µm的增强型MIS-HFET器件输出特性及导通电阻如图2所示,导通电阻为7.9·mm。比导通电阻Ron,sp=Ron×(Lsd+2×1µm),其中1µm为源/漏极欧姆金属扩展长度。可以得到Lgd=5µm、Lgd=10µm的增强型MIS-HFET器件比导通电阻分别为0.52·cm2、1.18·cm2
基于不同工艺的增强型器件比导通电阻与击穿电压对比图 
图3 基于不同工艺的增强型器件比导通电阻与击穿电压对比图
 
  图3为最近几年报道的基于不同工艺制备的增强型AlGaN/GaN HFET器件比导通电阻与击穿电压的参照对比图,图中所标注的µA/mm或mA/mm为器件达到击穿时所参照的电流标准。可以看出,本实验所制备增强型器件已达到国际领先水平。
 
  工业界常用功率品质因数(Power figure of merit,Power FOM)来综合衡量功率器件的综合性能,Power FOM=BV2/Ron,sp。由本文的测试,我们可以得到Lgd=10µm的增强型MIS-HFET器件的功率品质因数高达626MW/cm2,这是现有报道中最高值之一。
 
  表1为本实验所制备的基于两步刻蚀法的部分势垒层刻蚀的增强型MIS-HFET器件与最近几年报道的基于其他工艺的Si衬底增强型GaN功率器件性能对比表。表中主要参数有器件栅介质(Gate dielectric)、阈值电压(VTH)、最大输出电流(Id,max)、最大跨导(Gm,max)、开关比(Ion/Ioff ratio)、场效应迁移率(µFE)、导通电阻(Ron)、击穿电压(BV)、功率品质因数(FOM)。表中“-”表示该增强型器件结构未采用栅介质,表中NR意为该值未报道(Not Reported)。
 
  从表中可以看到,基于本实验所提出的两步刻蚀法工艺和Al2O3/AlGaN/GaN MIS结构可以得到高性能的GaN功率器件,再次印证了完整的沟道量子阱和低的沟道晶格损伤对GaN功率器件性能有着决定性影响。而且,通过本实验我们认为通过进一步优化栅凹槽刻蚀条件,该增强型MIS-HFET器件性能可以得到进一步改善。
表1 Si衬底增强型GaN功率器件性能对比表
Si衬底增强型GaN功率器件性能对比表 
 

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