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oe1(光电查) - 科学论文

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  • 承受高电流应力的GaN-on-GaN垂直二极管的退化

    摘要： 得益于高电流密度、低导通电阻和高击穿电压的特性，GaN-on-GaN垂直器件有望在电力电子领域获得广泛应用。迄今为止，关于GaN-on-GaN垂直器件可靠性的研究文献仍较为有限。本文研究了高电流密度应力下GaN-on-GaN pn二极管的性能退化问题，通过电学特性表征和电致发光（EL）测量开展研究。我们证实：(i) 在高电流密度应力作用下，器件电学特性出现显著变化：导通电阻/开启电压升高，产生-复合分量增加，分流路径形成；(ii) 导通电阻的增加与二极管EL信号衰减呈强相关性；(iii) 退化动力学过程呈现时间平方根依赖性，表明存在扩散机制。研究认为应力会引发氢原子从高p型掺杂表面向pn结扩散，导致Mg-H键形成使空穴浓度降低及空穴注入减少，从而造成导通电阻上升伴随EL信号的同步衰减。

    关键词： 宽带隙半导体、块状氮化镓衬底、垂直二极管、pn结、扩散、氮化镓、氢、退化

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • [IEEE 2018国际电力电子会议（IPEC-Niigata 2018 - ECCE亚洲） - 日本新潟（2018.5.20-2018.5.24）] 2018国际电力电子会议（IPEC-Niigata 2018 - ECCE亚洲） - 基于氮化镓器件的高频双有源桥变换器设计（输出功率3.7千瓦）

    摘要： 在汽车行业，除成本外，重量和体积也是设计电力电子器件的重要考量因素。随着氮化镓（GaN）等宽禁带器件的兴起，高开关频率为转换器带来了新的可能性。采用高开关频率能显著减小无源元件（如变压器）的体积。电动汽车的辅助电源或车载充电系统是降低体积与重量的典型应用领域。此类应用可采用双有源桥（DAB）等直流-直流转换器。本文详细分析了在400V直流电压下以500kHz高频运行的紧凑型单相双有源桥转换器，该转换器实现了3.7kW的功率传输。研究展示了如何设计一款快速开关、结构紧凑的双有源桥转换器，在额定功率下保持约96%的高效率运行。

    关键词： 氮化镓（GaN）器件、双有源桥转换器、电动汽车、电力电子、高开关频率

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • [2018年IEEE国际电力电子会议（IPEC-Niigata 2018 - ECCE Asia） - 日本新潟（2018年5月20日-2018年5月24日）] 2018年国际电力电子会议（IPEC-Niigata 2018 - ECCE Asia） - 氮化镓功率晶体管中的动态漂移效应：与器件技术和应用工况的关联

    摘要： 用于高压电源开关的氮化镓器件正推动着转换系统向更小型、更轻量化及更高效率发展。为优化此类系统设计，必须理解动态氮化镓器件性能与目标任务剖面及技术参数的关联关系。本文简要介绍了氮化镓器件技术，并对可能影响器件开关特性的物理机制提供了广泛认可的阐释。随后重点阐述了氮化镓功率晶体管的关键开关场景，并将其与系统运行中相关的偏置条件相关联。具体分析了关断/导通时间与电压、衬底偏置条件及温度等动态开关特性，并关联不同器件技术和制造商进行分析。上述参数以相当复杂的方式影响着器件动态特性，通常可视为特定技术实现方案或特定器件/外延制造商的特征指纹。

    关键词： 功率开关、动态导通电阻、漂移效应、氮化镓

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 质子辐照对抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应的影响

    摘要： 通过质子辐照实现了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管动态导通电阻的几乎完全抑制。本文在不同注量下对3 MeV质子辐照前后的小功率和大功率晶体管进行了表征。辐照器件展现出高鲁棒性，在特定注量下阈值电压和静态导通电阻保持不变。然而当注量超过1013 cm?2时，在600 V和T=150°C条件下动态导通电阻几乎被完全抑制。辐照后观察到关态漏电流的可测量增加，表明非故意掺杂(UID)GaN层电导率提升。我们提出了一个技术计算机辅助设计支持的模型，其中该电导率增加导致去电离速率提高，最终降低了动态导通电阻。

    关键词： 高电子迁移率晶体管（HEMT）、质子辐照、氮化镓（GaN）、动态导通电阻

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • GaN(0001)表面的化学惰性——氧吸附的作用——第一性原理研究

    摘要： 采用密度泛函理论(DFT)计算研究了氧气在GaN(0001)面（即镓终止表面）的吸附行为。结果表明：低覆盖度时氧分子在吸附过程中发生解离，两个独立的氧吸附原子位于H3位点。氧吸附原子饱和了三个镓悬挂键，通过与Op态的轨道重叠改变其能量，使这三个态与价带(VB)简并。电子计数规则(ECR)显示存在电子过剩，过剩电子会转移至其他镓悬挂键态，清洁表面的吸附能为3.74 eV/原子。在第一个临界覆盖度时费米能级移至导带，第二个临界覆盖度时下移至价带顶(VBM)。吸附能随覆盖度变化呈现特征性规律：初始阶段逐渐降低，在特定覆盖度出现能量跃变，更高覆盖度时能量迅速降至零并转为负值。覆盖度为某特定值时的奇异点是该表面氧吸附构型稳定的关键因素。低覆盖度下的平衡压力为：1500 K时10?? bar，1000 K时10?12 bar。随着覆盖度增加，由于能量和构型熵贡献的减小，平衡压力显著降低——在特定覆盖度时压力降低数个数量级，表明该覆盖度具有极高的热力学稳定性，这解释了实验中观察到的GaN(0001)表面化学惰性现象，也是电子器件用衬底机械化学抛光的关键控制因素。

    关键词： 密度泛函理论，表面，氧，氮化镓

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 准大气压下N2和NH3等离子体处理对p-GaN表面形貌的影响

    摘要： 我们采用微带线结构的微波激发等离子体源，在准大气压下对暴露于氮气(N2)和氨气(NH3)等离子体的p型氮化镓(p-GaN)表面形貌进行原子力显微镜表征。实验在700°C衬底温度下，将等离子体暴露时间控制在2至20分钟范围。当N2和NH3等离子体分别作用2分钟时，原始p-GaN表面的脊状特征立即钝化且表面粗糙度显著降低，同时保持了原子级台阶结构。随着两种等离子体暴露时间的延长，表面台阶交叉与聚集现象逐渐消失。但当NH3等离子体暴露时间增至20分钟时，台阶边缘出现坑洞和颗粒物，导致表面剧烈粗糙化。研究表明：通过准大气压下的适度等离子体处理可在不破坏台阶结构的前提下实现GaN表面平滑化，这类等离子体源有望应用于氮化物半导体生长的金属有机化学气相沉积系统。

    关键词： 微波辅助等离子体、表面形貌、氮气和氨气等离子体、原子力显微镜、金属有机化学气相沉积、氮化镓

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 基于氮化镓的分子结中具有非对称边缘钝化的高性能自旋整流

    摘要： 通过结合非平衡格林函数理论与密度泛函理论，研究了由锯齿形氮化镓纳米带（ZGaNNRs）构建的分子器件的自旋输运特性。计算结果表明：ZGaNNR体系展现出高效的自旋整流效应（整流比接近10^9）、巨磁阻效应（磁阻比高达10^8）、完美的自旋过滤效应以及负微分电阻效应。值得注意的是，研究揭示无论器件宽度如何变化，本征整流效应均可被观测到。通过自旋分辨透射谱、ZGaNNRs能带结构及分子投影自洽哈密顿量，阐明了整流效应的微观机理。该发现可为设计基于氮化镓的自旋电子学纳米器件提供重要参考。

    关键词： 自旋输运、分子结、非对称边缘钝化、氮化镓、自旋电子器件

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 氮化镓在高温高压下的声子热力学与弹性行为

    摘要： 计算了纤锌矿和闪锌矿结构GaN中温度与压力对声子的影响。准谐近似(QHA)在零压条件下能合理预测声子态密度随温度的变化关系，但对温度与压力的联合作用预测可靠性不足。研究发现压力会改变显性非简谐性，从而影响声子的热位移，并更显著地定性改变声子寿命随温度升高的演化规律。这些效应在光学模中最为明显，而约5THz以下的声子频率可用QHA进行合理预测?；?K下弹性常数随压力的变化，计算了两种结构GaN的弹性各向异性。其弹性各向异性随压力增大直至在40GPa(闪锌矿)和65GPa(纤锌矿)出现弹性失稳。计算所得失稳点与闪锌矿GaN向岩盐相转变的路径相符，并为纤锌矿和闪锌矿GaN保持亚稳态的压力上限提供了依据。

    关键词： 声子热力学、高压、弹性各向异性、非简谐性、高温、氮化镓、弹性行为、准谐近似

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 多通道三栅极氮化镓功率肖特基二极管，具有低导通电阻

    摘要： 本工作展示了一种基于新型多通道三栅架构的高性能横向氮化镓功率肖特基势垒二极管（SBD）。通过周期性AlGaN/GaN异质结构形成的多个二维电子气通道（多通道），实现了导通电阻（RON）降低50%至7.2±0.4 Ω·mm，同时正向电压（VF）显著减小至1.57±0.06 V。我们采用三阳极结构通过鳍片侧壁与多通道形成肖特基接触，从而获得0.67±0.04 V的小开启电压（VON）。为同步控制多通道并有效分散关态电场，在阳极集成了三栅结构，使得器件在-600 V时漏电流（IR）低至~1 nA/mm，接地衬底下1 μA/mm时击穿电压（VBR）高达-900 V。此外，得益于优化的三栅几何结构和50 nm小鳍宽（w）下仍保持2063±123 cm2·V?1·s?1的高有效迁移率（μe），器件因RON与反向电荷（Q）乘积较小而展现出优异的开关性能。本方案以独特方式结合了三栅结构的卓越静电控制能力与多通道的高导电性，为氮化镓功率器件的未来发展提供了有前景的平台。

    关键词： 三阳极、氮化镓、漏电流、击穿、肖特基二极管、三栅极、多沟道

    更新于2025-09-09 09:28:46

  • 采用金属有机气相外延法在a面（11$\bar{2}$0）蓝宝石衬底上生长的GaN(0001)层结构各向异性研究

    摘要： 通过X射线衍射仪研究了金属有机气相外延（MOVPE）法在a面（11 0）蓝宝石衬底上生长的GaN(0001)异质外延层的结构特性。观察到氮化镓对称(0004)面与不对称{11 4}和{10 5}反射面的摇摆曲线宽度随样品旋转呈现各向异性。对比两种不同面内取向关系的GaN(0001)/Al2O3(11 0)层摇摆曲线宽度各向异性发现，该结构特性的各向异性与异质结构冷却过程中产生的热弹性应力无关。

    关键词： 结构特性、金属有机气相外延、各向异性、蓝宝石、氮化镓、X射线衍射分析

    更新于2025-09-09 09:28:46