Chương 1: Tổng quan về vật liệu bán dẫn GaN và linh kiện GaN HEMT Trong chương này, tác giả đưa ra các giới thiệu tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng GaN cũng như linh kiện GaN HEMT. Các công bố cập nhật về linh kiện HEMT cũng được tác giả tổng quan trong chương này. Chương 2: Mô phỏng vật liệu GaN và linh kiện GaN HEMT Trong chương này, tác giả trình bày các phương pháp mô phỏng, mô hình hóa và quy trình mô phỏng cũng như các kết quả thu được. Các phương pháp bao gồm: mô phỏng MD – Molecular Dynamics, mô phỏng Nguyên lý ban đầu – Ab initio và mô hình hóa linh kiện HEMT bằng phần mềm Matlab.
Chương 3: Chế tạo thử nghiệm linh kiện HEMT Trong chương này, tác giả đưa ra các kết quả thu được sau khi tiến hành các bước trong quá trình chế tạo thử nghiệm: thiết kế MASK, chế tạo điện cực tiếp xúc Ohmic, chế tạo điện cực Schottky, đo đạc một vài đặc trưng điện của linh kiện chế tạo được như đặc trưng điện áp (I – V). Chương 4: Nghiên cứu chế tạo cấu trúc MOS - HEMT sử dụng lớp điện môi high-k Trong chương này, tác giả cũng tiến hành chế tạo thử nghiệm cấu trúc MOS ứng dụng cho linh kiện MOS – HEMT và đo đạc các đặc trưng như đặc trưng điện dung – điện áp (C – V) cũng như nghiên cứu các ảnh hưởng của chiều dày đế, chất lượng đế lên đặc trưng C – V của tụ MOS. Bên cạnh đó, tác giả cũng tiến hành phát triển mô hình mô phỏng đã xây dựng tại chương 2 cho linh kiện HEMT nhằm mô phỏng và mô hình hóa linh kiện MOS – HEMT. TỔNG QUAN VỀ BÁN DẪN GaN VÀ LINH KIỆN GaN HEMT 1.
Tổng quan về vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng Trong những năm gần đây, việc hạn chế phát triển năng lượng điện dựa trên nguyên liệu hóa thạch và sự tăng trưởng nhanh chóng tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã dẫn đến sự phát triển bùng nổ các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió, kết hợp với các hệ thống chuyển đổi và lưu trữ năng lượng như ắc quy, pin nhiên liệu và các phương tiện sử dụng năng lượng điện như ô tô, xe máy, xe đạp điện. Việc thay thế năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng tái tạo với giá cả phải chăng, đồng thời tăng hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng và phát điện bằng các thiết bị và kỹ thuật điều khiển mạch điện tốt hơn đã trở thành một trong các vấn đề được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới [13]. Ngoài ra, các yêu cầu như tần số chuyển mạch cao, tổn hao chuyển mạch thấp, mật độ năng lượng cao cũng như kích thước nhỏ gọn cũng được kỳ vọng là sẽ tiếp tục phát triển nhằm hỗ trợ cho sự phát triển của các công nghệ hiện đại như Internet vạn vật (Internet of Things – IoT) và công nghiệp 4. Hiện nay, các transistor công suất đang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều hệ thống chuyển đổi và lưu trữ điện năng.
Do đó, việc tăng hiệu suất chuyển đổi trong các linh kiện bán dẫn công suất là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt hơn trong một hệ thống hoặc thiết bị ứng dụng. Nâng cao hiệu suất chuyển đổi điện năng có nghĩa là cải thiện tỷ lệ sử dụng năng lượng tổng thể. Điều này đặt ra một thách thức ngày càng lớn trong việc đưa ra các giao thức thiết kế mới, đóng gói mới và thậm chí cả vật liệu bán dẫn mới. Vật liệu thường được sử dụng để chế tạo transistor hiện nay là Si, nhưng công nghệ silicon đã đạt đến các giới hạn vật lý của nó nên khó đáp ứng các yêu cầu như điện áp đánh thủng cao, mật độ công suất lớn, tổn hao thấp, môi trường hoạt động khắc nghiệt của hệ thống điện bao gồm bức xạ, tiếp xúc với nhiệt độ cao và chu trình nhiệt phạm vi rộng.
Như vậy, việc nỗ lực nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm đã tập trung vào việc tìm ra các giải pháp thay thế để tăng hiệu suất của các linh kiện thành phần công suất cao, thông qua việc sử dụng các vật liệu bán dẫn thế hệ mới là hết sức cấp thiết [14]. So sánh một vài tính chất của Si, gallium nitride (GaN) và silic carbide (SiC) cho các ứng dụng bán dẫn công suất [15]. Trong những năm gần đây, các linh kiện chuyển mạch được chế tạo dựa trên vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng (WBG) như GaN và SiC đã được nghiên cứu kỹ lưỡng để khai thác được đầy đủ tiềm năng của chúng. Các linh kiện này, với thiết kế phù hợp, không chỉ mang lại lợi ích cho các hệ thống chuyển đổi điện năng hiện có mà còn cung cấp các khả năng mới trong việc cải thiện một số hệ thống điện tử công suất hiện có [16].
Như có thể thấy trong hình 1.1, SiC có tính dẫn nhiệt vượt trội, trong khi GaN có độ rộng vùng cấm và độ linh động điện tử cao nhất. Các linh kiện làm từ vật liệu SiC vượt trội hơn nhiều so với các linh kiện tương ứng từ vật liệu Si trong các ứng dụng công suất cao (hơn 600 W) và hiện được coi là phù hợp nhất để chuyển đổi công suất ở mức điện áp nói trên. Tuy nhiên, chế tạo vật liệu chất lượng cao SiC là khá hạn chế do giá thành cao. Do đó, các linh kiện dựa trên vật liệu GaN được coi là các lựa chọn thay thế tiềm năng cho các thiết bị sử dụng trong các ứng dụng tại điện áp mức thấp đến trung bình.
Tuy nhiên, điện áp ngưỡng rất thấp (Vth) của các linh kiện GaN HEMT thông thường là một vấn đề kỹ thuật cần được cải thiện trong các ứng dụng thực tế [17].1 chỉ ra những ưu điểm đáng kể của GaN cũng như SiC so với Si truyền thống trong các ứng dụng bán dẫn công suất. Tính chất của một vài bán dẫn [18]. Đại lượng (đơn vị) Si SiC GaN Độ rộng vùng cấm, 𝑊𝑔 (eV) 1,12 3,26 3,39 Hằng số điện môi, 𝜀𝑟 11,9 10,0 9,5 Độ dẫn nhiệt, 𝜆 (W/K.cm) 1,5 4,0 1,3 Điện trường tới hạn, 𝐸𝑐𝑟𝑖𝑡 (M.V/cm) 0,3 2,2 3,3 Vận tốc điện tử bão hòa, 𝜐𝑠𝑎𝑡 (107 cm/s) 1 2 2,5 Độ linh động điện tử, 𝜇𝑛 (cm2/V.s) 1400 900 1800 Nồng độ hạt tải thuần, 𝑛𝑖 (cm-3) 1 × 1010 8 × 109 2 × 1010 Hệ số phẩm chất tương đối so với Si 1 500 3270 Có thể thấy hầu hết các thông số của GaN vượt trội hơn so với SiC và Si, đặc biệt chỉ số Baliga’s Figures of Merit (FoM) cao hơn ba lần so với SiC và hàng nghìn lần so với Si. Trong khi SiC cung cấp độ dẫn nhiệt vượt trội (có giá trị là 4 W/Kcm so với 1,5 W/Kcm của Si và 1,3 W/Kcm của GaN) thì GaN lại có được độ rộng vùng cấm lớn cũng như độ linh động điện tử cao nhất (𝐸𝐺 =3,4 eV so với 1,12 eV của Si và 3,2 eV của SiC và 𝜇𝑛 = 1800 cm2/V.s so với giá trị 1400 cm2/V.s của Si và 900 cm2/V.
Độ dẫn nhiệt của GaN thấp hơn SiC, có nghĩa là thiết bị SiC sẽ hoạt động với hiệu suất tốt hơn trong điều kiện nhiệt độ cao. Thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng Sự khác biệt nổi trội của GaN HEMT so với linh kiện Silic truyền thống là linh kiện HEMT được chế tạo từ các màng vật liệu bán dẫn có năng lượng vùng cấm rộng và khác nhau, được gọi là chuyển tiếp dị thể [19]. Các điện tử trong linh kiện HEMT dịch chuyển từ vật liệu có vùng cấm rộng hơn sang vật liệu có vùng cấm nhỏ hơn, tạo ra một lớp khí điện tử 2 chiều (2DEG). Độ linh động điện tử (𝜇𝑛 ) tại lớp khí điện tử 2 chiều đạt giá trị cao bất thường ở nhiệt độ phòng do hiệu ứng tán xạ giảm [20].
HEMT có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với các linh kiện bán dẫn thông thường và được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm tần số cao như các thiết bị radar trong ngành thông tin và truyền thông [21]. 13 Lớp 2DEG trong cấu trúc AlxGa1-xN /GaN được hình thành dựa trên kết quả có được từ hiệu ứng phân cực tự phát và phân cực áp điện tại lớp AlxGa1-xN. Đối với cấu trúc dị thể, giá trị mật độ hạt dẫn trong lớp 2DEG điển hình là 1x1013 cm-2 với nồng độ Al là ~ 20-30 %. Một số thông số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn vùng cấm rộng được phân tích và đánh giá như sau.
Hệ số phẩm chất Baliga (Baliga’s Figure of merit - BFoM) Hình 1. Hệ số phẩm chất của Si, SiC và GaN [22]. Đường BFoM thấp hơn ứng với vật liệu có tính chất tốt hơn. Thông số phẩm chất hay hệ số phẩm chất BFoM được sử dụng để so sánh tính chất của vật liệu cho các linh kiện bán dẫn công suất.
Giá trị của BFoM được xác định bằng tích của điện trở linh kiện nhân với tổng điện tích bề mặt cực cổng (𝑅 ∗ 𝑄) tại một giá trị điện áp và dòng điện cần thiết để chuyển mạch. Thông thường BFoM “đơn cực” hoặc “Baliga”, được xác định bởi công thức [23] : 𝑉𝐵2 𝜀 𝜇 𝐸3 = 𝑠 𝑛 𝐶 (1.1) 𝑅𝑜𝑛,𝑠𝑝 4 trong đó 𝑉𝐵 là điện áp đánh thủng, 𝑅𝑜𝑛,𝑠𝑝 là điện trở của linh kiện ở trạng thái BẬT nhân với diện tích linh kiện, 𝜀𝑠 là hằng số điện môi của chất bán dẫn, 𝜇𝑛 là độ linh động của điện tử và 𝐸𝐶 là điện trường tới hạn. 14 Giá trị BFoM thấp hơn dẫn đến hiệu suất cao hơn trong bộ chuyển đổi DC-DC tần số cao [24].2 cho thấy đường BFoM cho ba vật liệu nói trên [25]. GaN và SiC có hệ số phẩm chất được cải thiện rõ rệt so với Si [26].
Hiệu suất chuyển đổi điện Trong quá trình chuyển đổi, tổn hao điện năng có thể được phân loại thành 2 dạng chính là tĩnh và động. Tổn hao động là do quá trình nạp và phóng điện của tụ ký sinh (C) trong quá trình chuyển mạch [27]. Trong trường hợp của transistor, điện dung ký sinh bao gồm điện dung đầu vào (𝐶𝑖𝑛 ) và điện dung đầu ra (𝐶𝑜𝑢𝑡 ). Điện dung đầu vào thường có giá trị cao hơn, và có thể chi phối tổn hao công suất động trong các ứng dụng điện áp thấp.
Tuy nhiên, tổn hao công suất do điện dung đầu ra sẽ chiếm ưu thế và có thể rất lớn khi các thiết bị sử dụng điện áp cao [28]. Vì vậy, tổn hao động sẽ được xác định như sau: 𝑃𝑑𝑦𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐 = 𝑓𝐶𝑜𝑢𝑡 𝑉𝐵 2 (1.3) Trong đó, 𝑓 là tần số chuyển mạch và 𝑉𝐵 là điện áp đánh thủng.