大功率增强型GaN HEMT封装工艺的研究
氮化镓高电子迁移率晶体管(GaNHEMT)以其高频、大功率和高效率的特点引起广泛关注并有望应用于电力电子系统中。基于AlGaN/GaN异质结构的HEMT在大功率应用方面具有非常大的优势。随着电流、功率密度越来越高，AlGaN/GaNHEMT的自热效应会导致器件性能降低，缩短器件使用寿命，热可靠性问题不容忽视。另外，需要先进的封装技术来匹配大功率器件。本论文的研究内容主要围绕氢等离子体钝化p-GaN栅增强型HRCL-HEMT的制备及其封装测试和高导热材料金刚石与GaN基HEMT的集成展开，具体的研究内容如下： 1.对HRCL-HEMT的制备工艺进行了研究：基于氢等离子体钝化p型GaN的空穴补偿理论，制备了HRCL-HEMT器件，介绍了器件的制备流程。所制备的HRCL-HEMT器件阈值电压为1.6V，饱和电流为9.13A，栅极正向漏电为24mA。器件漏电较大，其原因是由于等离子体会对HR-GaN表面造成损伤形成缺陷产生漏电路径。 2.封装并测试HRCL-HEMT器件的电学特性：HRCL-HEMT器件首次采用DFN贴片式封装，介绍了DFN封装流程，封装后器件阈值电压为1.5V，饱和电流为9.07A。HRCL-HEMT器件采用TO-220直插式封装，封装后器件阈值电压为1.5V，饱和电流为8.8A。对比两种封装形式的器件性能，击穿电压均可以达到700V以上，说明HR-GaN盖帽层可以降低栅极边缘峰值电场提高耐压。DFN封装器件开通后，随着漏极电压增大，电流下降的趋势较缓。这是因为贴片式封装的体积小、散热路径短、裸露的焊盘可以辅助散热。TO-220封装的长引脚设计由于引入了额外的感抗和阻抗，导致器件导通电阻增大，饱和电流减小并且使电流产生震荡现象。 3.测试了HRCL-HEMT在实际电路中的动态开关频率：设计制作了测试电路板及转接板，DFN封装器件使用银浆粘接在转接板上并焊接引脚进行测试。测试得到TO-220封装器件开关频率为7.092MHz，DFN封装器件开关频率为8.8MHz。整体来说，DFN封装器件的电、热性更为优良且体积小。因此，DFN贴片式封装更适合作为大功率HEMT器件的封装形式。 4.对MPCVD中不同压强条件下生长的金刚石薄膜的质量进行了研究：控制相同的温度、微波功率、气体流量和生长时间，采用不同大小的压强65/70/75Torr生长金刚石。经过拉曼、粉末XRD等综合测试分析，得到的金刚石薄膜以（111）为择优取向。腔内压强越大，高波矢位置的拉曼曲线越平直，这说明压强越大，生长的金刚石薄膜质量越好。在75Torr的条件下，得到了C杂质最少，结晶质量最好的多晶金刚石。 5.对降低金刚石粗糙度的方法进行了研究并在金刚石上外延氮化镓：本文采用手 工研磨的方式对Si片进行预处理，导致生长的金刚石表面粗糙度过大，所以进一步探究了降低金刚石薄膜表面粗糙度的方法。实验结果表明使用NLD制造氧等离子体刻蚀金刚石表面相比CMP抛光的效果更好，且腔体压强越大，刻蚀效果越好。使用MOCVD在金刚石上外延氮化镓，得到的是六方纤锌矿结构的粉末氮化镓。 6.对生长金刚石的过程中H等离子刻蚀HEMT外延结构的现象进行了研究：高温高压下，H等离子体活性强，会刻蚀HEMT外延层表面的氮化镓，且高温下氮化镓自身也会分解。实验证明，在低温低压的生长条件下，通过使用LPCVD在HEMT表面外延一层SiN保护层，可以成功的在HEMT表面生长出一层金刚石薄膜并且保证外延结构不被破坏。
氮化镓高电子迁移率晶体管;封装工艺;金刚石薄膜;电学特性
长春理工大学
硕士
电子科学与技术
房丹
2022
中文
TN32;TN305.94
2023-02-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）