復(fù)合漏電模型建立及階梯場(chǎng)板GaN肖特基勢(shì)壘二極管設(shè)計(jì)*

劉成 李明 文章 顧釗源 楊明超 劉衛(wèi)華 韓傳余 張勇 耿莉? 郝躍

1) (西安交通大學(xué)微電子學(xué)院,西安市微納電子與系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

2) (西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,西安 710049)

3) (西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710071)

準(zhǔn)垂直GaN 肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)因其低成本和高電流傳輸能力而備受關(guān)注.但其主要問(wèn)題在于無(wú)法很好地估計(jì)器件的反向特性,從而影響二極管的設(shè)計(jì).本文考慮了GaN 材料的缺陷以及多種漏電機(jī)制,建立了復(fù)合漏電模型,對(duì)準(zhǔn)垂直GaN SBD 的特性進(jìn)行了模擬,仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.基于此所提模型設(shè)計(jì)出具有高擊穿電壓的階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)準(zhǔn)垂直GaN SBD.根據(jù)漏電流、溫度和電場(chǎng)在反向電壓下的相關(guān)性,分析了漏電機(jī)制和器件耐壓特性,設(shè)計(jì)的階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)準(zhǔn)垂直GaN SBD 的Baliga 優(yōu)值BFOM 達(dá)到73.81 MW/cm2.

1 引言

GaN 作為第三代半導(dǎo)體的代表,因其具有高擊穿場(chǎng)[1,2]、高電子飽和速度[3]等優(yōu)異的物理特性,已經(jīng)成為高頻、快速開(kāi)關(guān)速度[4]、高工作溫度功率器件的理想選擇.垂直GaN 肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)引入了更均勻的電場(chǎng)和電流分布,這使得高電流的良好傳輸成為可能[5],同時(shí),在處理高擊穿電壓、低反向漏電流時(shí),表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)[6].然而,由于垂直GaN SBD 器件襯底成本高,限制了其商業(yè)發(fā)展,因此,在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的準(zhǔn)垂直GaN SBD 結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注.

漏電流是準(zhǔn)垂直GaN SBD 反向特性的關(guān)鍵參數(shù),漏電流仿真對(duì)于器件的優(yōu)化非常重要.然而,與漏電流相關(guān)的物理模型的不準(zhǔn)確性給準(zhǔn)垂直GaN SBD 的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難.在Bouzid等[7]的研究中,考慮受體陷阱對(duì)準(zhǔn)垂直GaN SBD反向漏電流的影響,通過(guò)電流-電壓關(guān)系分析受體陷阱狀態(tài)的影響.然而,對(duì)10—5cm—2以上相對(duì)較高的反向電流密度所對(duì)應(yīng)的相對(duì)較高電場(chǎng)的研究仍然缺乏.由于GaN 材料的大量缺陷和其他復(fù)雜的漏電機(jī)制,使用硅基器件物理模型模擬的反向漏電流表現(xiàn)出不可靠的值[8].因此,與漏電流相關(guān)的物理模型仍亟待進(jìn)一步研究.本文深入研究了與GaN 功率器件相關(guān)的物理模型,基于所提出的新型復(fù)合器件漏電模型,模擬了SBD 的反向J-V曲線,其與Bian等[9]的實(shí)驗(yàn)所得的反向J-V曲線非常吻合.這為本文后續(xù)提出并設(shè)計(jì)的階梯型場(chǎng)板(FB)準(zhǔn)垂直GaN SBD 提供了重要手段和依據(jù).

擊穿電壓是GaN SBD 的一個(gè)重要特性,許多研究團(tuán)隊(duì)都在致力于提高器件的擊穿電壓.金屬場(chǎng)板是在幾乎不犧牲GaN SBD 正向特性的前提下提高其擊穿電壓的一種重要終端結(jié)構(gòu)[10,11].傳統(tǒng)平面場(chǎng)板可以有效提高GaN 功率器件的擊穿電壓[6,12],然而,平面場(chǎng)板結(jié)構(gòu)展寬耗盡層、改善電場(chǎng)分布的能力難以與器件電學(xué)性能的期望相匹配.階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)作為復(fù)合場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的代表,是提高器件擊穿電壓的更好選擇.

2 準(zhǔn)垂直GaN SBD 的復(fù)合漏電模型

2.1 器件漏電機(jī)制的物理模型

本研究結(jié)合若干已有的GaN SBD 漏電流測(cè)試結(jié)果,從適用于GaN 功率器件的仿真模型[13,14]獲得如表1 所列的GaN SBD 復(fù)合漏電模型,并選取其中關(guān)鍵物理模型進(jìn)行說(shuō)明.

表1 GaN SBD 漏電模型及應(yīng)用范圍Table 1.Summary of GaN SBD leakage current simulation models.

不完全電離模型主要用來(lái)描述GaN 中摻入的雜質(zhì)不能完全電離的現(xiàn)象.因?yàn)榘雽?dǎo)體中載流子濃度高,降低了雜質(zhì)的活化能,電離能(ΔED/A)與載流子濃度的關(guān)系模型公式為

式中,ΔED,0和ΔEA,0是低摻雜水平下的施主和受主電離能,ND+和NA-是原始受主和施主電離對(duì)應(yīng)物的濃度,電離率(αn和αp)的值均設(shè)置為3.4 ×10—6meV·cm[15].

考慮到GaN 中的缺陷[16],本文采用陷阱輔助隧穿(PAT)模型來(lái)更準(zhǔn)確地描述載流子傳輸過(guò)程,其中,電子從金屬-半導(dǎo)體界面處的陷阱能級(jí)激發(fā)并隧穿進(jìn)入GaN SBD 中的導(dǎo)帶[17].接下來(lái)本文通過(guò)定義受主陷阱能級(jí)及能量密度和能級(jí)位置來(lái)描述GaN SBD 的聲子輔助隧穿過(guò)程.

在肖特基勢(shì)壘隧穿(SBT)模型中,通過(guò)假設(shè)肖特基勢(shì)壘表面存在缺陷,使得肖特基勢(shì)壘變薄[18],從而增加了隧穿電流.隧穿電流JT是肖特基接觸附近的局部隧穿速率積分的函數(shù),可以表示為

式中,Г(E)表示隧穿概率,E表示肖特基勢(shì)壘表面的載流子能量,fs(E)和fm(E)分別是半導(dǎo)體和金屬中的Fermi-Dirac 分布函數(shù).

非局域隧穿(NT)模型主要用來(lái)描述能帶間載流子的隧穿行為,對(duì)于描述GaN SBD 的漏電流起主要作用[19,20].如器件中存在足夠高的電場(chǎng),則局部能帶彎曲足以允許電子從價(jià)帶隧穿到導(dǎo)帶.為了檢驗(yàn)SBT 模型和NT 模型對(duì)準(zhǔn)垂直GaN SBD漏電流的影響,提取了仿真和實(shí)驗(yàn)的反向J-V實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線,實(shí)驗(yàn)對(duì)比模型使用圖1(c)中插圖的結(jié)構(gòu)[9],對(duì)比結(jié)果如圖1(a),(b)所示.從對(duì)比結(jié)果可以看出,SBT 模型和NT 模型分別修正了漏電流小于/大于10—3cm—3時(shí)對(duì)應(yīng)的反向J-V曲線,通過(guò)這些模型的修正作用,使得到的反向J-V仿真曲線能較為全面地反映不同反向電壓下對(duì)應(yīng)的漏電流傳輸情況.

GaN 飽和遷移率模型用于描述高電場(chǎng)下載流子的行為,其中,在高電場(chǎng)情況下,飽和遷移率vh,sat 設(shè)置為7 × 106cm/s.此外,Albrecht 模型[21]是通過(guò)在遷移率中定義“albrct.n”來(lái)選擇的,主要用于描述低電場(chǎng)中載流子的輸運(yùn)過(guò)程,這使得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間具有更好的一致性.

2.2 復(fù)合漏電模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的復(fù)合漏電模型的有效性,將采用復(fù)合模型仿真得到的反向J-V曲線與從文獻(xiàn)[9]中對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的漏電流測(cè)試曲線進(jìn)行了比較,如圖1(c)所示,兩者匹配很好,證明了所提復(fù)合漏電模型的合理性和準(zhǔn)確性.

圖1 準(zhǔn)垂直GaN SBD 關(guān)鍵仿真模型 (a) SBT 模型;(b) NT 模型;(c) 準(zhǔn)垂直GaN SBD 的仿真和文獻(xiàn)[9]提取的反向J-V 實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線比較,插圖給出了仿真的器件結(jié)構(gòu)Fig.1.Key simulation model of quasi-vertical GaN SBDs:(a) SBT model;(b) NT model;(c) simulated and related experimental reverse J-V curves of the quasi-vertical GaN SBD schottky diode with the same structure as Ref.[9],the inset shows the simulated devicestructure.

3 準(zhǔn)垂直GaN SBD 的設(shè)計(jì)

3.1 器件結(jié)構(gòu)

在準(zhǔn)垂直GaN 器件的實(shí)際功率應(yīng)用中,需要保證器件的擊穿電壓足夠高.降低n—GaN 層摻雜濃度是提高準(zhǔn)垂直GaN 器件擊穿電壓的有效途徑,但不可避免地會(huì)增大器件的導(dǎo)通電阻,影響器件的正向特性.為了提高準(zhǔn)垂直GaN SBD 的擊穿電壓,本文對(duì)幾種場(chǎng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較和討論.

圖2 顯示了幾種不同場(chǎng)板結(jié)構(gòu)仿真的準(zhǔn)垂直GaN SBD 的截面.在藍(lán)寶石襯底上先構(gòu)建摻雜濃度為5 × 1018cm—3的1 μm 厚n+GaN 層,然后構(gòu)建摻雜濃度為8 × 1015cm—3的5 μm 厚的n—GaN漂移層,器件長(zhǎng)度均為300 μm,陽(yáng)極電極長(zhǎng)度為80 μm,陰極長(zhǎng)度為40 μm.為了減輕n—GaN 漂移區(qū)側(cè)壁的局部電場(chǎng)集中效應(yīng)并削弱深刻蝕工藝帶來(lái)的刻蝕深度誤差,在器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了兩步刻蝕工藝.第一步刻蝕深度為1.4 μm,第二步腐蝕深度為3.6 μm,器件表面淀積的鈍化層厚度為300 nm.

圖2(a)展示了不含任何終端結(jié)構(gòu)的常規(guī)器件結(jié)構(gòu).在圖2(b)展示了平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu),其中金屬場(chǎng)板設(shè)計(jì)在Ni/Al 肖特基陽(yáng)極和鈍化層周?chē)?而SiO2/Si3N4鈍化層結(jié)合了Si3N4的高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)和SiO2的高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)[22,23],是準(zhǔn)垂直型GaN SBD 鈍化層的一種可行選擇.圖2(c)給出了接觸型場(chǎng)板GaN SBD 的結(jié)構(gòu)圖,其中金屬場(chǎng)板與鈍化層接觸,可以通過(guò)與平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,可獲得金屬場(chǎng)板與鈍化層的相對(duì)位置對(duì)器件反向電學(xué)特性的影響.為了進(jìn)一步減小n—GaN漂移區(qū)邊緣的電場(chǎng)集中效應(yīng),本文提出了圖2(d)所示的階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu),通過(guò)與圖2(b)所示的平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)比,來(lái)驗(yàn)證階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)于改善準(zhǔn)垂直SBD 器件反向電學(xué)特性的有效性.

圖2 準(zhǔn)垂直GaN SBD 截面示意圖 (a) 無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(b) 平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(c) 接觸型場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(d) 階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)Fig.2.Cross-sections of different quasi-vertical GaN SBDs:(a) Without FP;(b) with plane FP;(c) with contacted FP;(d) with stepped FP.

3.2 不同場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的反向特性

圖3(a)顯示了不同場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)垂直GaN SBD 的電流密度J與反向電壓V的關(guān)系.將反向漏電流密度為1 A/cm2對(duì)應(yīng)的反向電壓設(shè)置為器件的擊穿電壓.當(dāng)反向電壓大于—300 V 時(shí),與其他帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)相比,階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)反向漏電流降低2—4 個(gè)數(shù)量級(jí),反向擊穿電壓明顯改善.相對(duì)于圖3(b) 平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu),階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的擊穿電壓有30 V 以上的提升;而相對(duì)于圖3(a) 的無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu),擊穿電壓更是提高了約230 V.此外,與傳統(tǒng)平面場(chǎng)板結(jié)構(gòu)相比,階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)僅需要多出幾個(gè)蝕刻步驟,不會(huì)顯著增加制造過(guò)程的復(fù)雜性.

然后對(duì)階梯型場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以改善準(zhǔn)垂直GaN SBD 的反向電學(xué)特性.采用控制單一變量的方法,依次改變階梯型場(chǎng)板的階梯高度和寬度,得到如圖3(b)的數(shù)據(jù)結(jié)果.由此可看出,當(dāng)階梯型場(chǎng)板的階梯高度和長(zhǎng)度分別取0.1 μm和10.0 μm 時(shí),反向擊穿電壓(BV)達(dá)到最大值.

圖3 (a) 不同場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)垂直GaN SBD 的反向J-V 特性曲線;(b) 階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)與擊穿電壓的關(guān)系曲線(插圖展示了階梯型場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)示意圖)Fig.3.(a) Reverse J-V curves of the quasi-vertical GaN SBDs with various FP structures;(b) breakdown voltage of the stepped FP structure versus its geometric parameters,the inset shows the schematic diagram and geometric parameters of the stepped FP.

3.3 電場(chǎng)分布

圖4 展示了不同場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)垂直GaN SBD 在—550 V 反向電壓下的電場(chǎng)分布圖.圖4(a)展示了不含任何終端結(jié)構(gòu)的常規(guī)器件結(jié)構(gòu);圖4(b)為平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu),金屬場(chǎng)板設(shè)計(jì)在Ni/Al 肖特基陽(yáng)極和鈍化層周?chē)?圖4(c)給出了接觸型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)圖,其中金屬場(chǎng)板與鈍化層接觸.圖4(d) 為本文提出的階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu).由電場(chǎng)分布圖可以看出,階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中n—GaN 漂移層的電場(chǎng)分布更加均勻,電場(chǎng)集中效應(yīng)明顯改善.由此推斷,階梯型場(chǎng)板具有較強(qiáng)的展寬耗盡層寬度的能力,從而有效降低器件表面和邊緣的局部電場(chǎng)集中效應(yīng),使得最容易發(fā)生擊穿的器件表面和邊緣的電場(chǎng)分布得以改善,避免了器件過(guò)早擊穿.

圖4 不同場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)垂直GaN SBD 的電場(chǎng)分布圖 (a) 無(wú)場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(b) 平面型場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(c) 接觸型場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(d) 階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu);(e) 不同場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)GaN SBD 的n—GaN 漂移層電場(chǎng)分布曲線Fig.4.Electric field distribution diagrams of the quasi-vertical GaN SBDs with various FP structures:(a) Without FP;(b) with plane FP;(c) with contacted FP;(d) with stepped FP;(e) electric field distribution curves of n—GaN layers for different FP structures.

如圖4(e)所示,本文沿著肖特基電極與n—GaN漂移層的界面處給出了幾種場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中n—GaN漂移層的電場(chǎng)分布曲線.在高反向電壓下,階梯型場(chǎng)板通過(guò)引入次級(jí)電場(chǎng)峰值來(lái)降低整體電場(chǎng)峰值.此外,在階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)中,SiO2/Si3N4鈍化層承擔(dān)了更多的電場(chǎng)分量,降低了n—GaN 漂移層需承擔(dān)的電場(chǎng)分量.由于SiO2/Si3N4鈍化層電場(chǎng)峰值對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于Si3N4的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(5—10 MV/cm)[24,25],而Si3N4的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯大于GaN 的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(3.3 MV/cm)[26],因此階梯型場(chǎng)板可以起到降低n—GaN 層的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度、保護(hù)n—GaN 漂移層的目的.

3.4 漏電機(jī)理分析

GaN SBD 中存在的位錯(cuò)/缺陷使得器件的漏電流機(jī)制復(fù)雜,常見(jiàn)的漏電機(jī)制包括 Poole-Frenke發(fā)射(Poole Frenke emission,PFE),變程跳躍(variable range hopping,VRH),空間電荷限制(space charge limited,SCL),Fowler-Nordheim隧穿 (Fowler-Nordheim tunneling,FNT)等,這些漏電機(jī)制的漏電流與反向電壓V、電場(chǎng)E和溫度T的冪指數(shù)等有一定的關(guān)系.具體漏電機(jī)制可以通過(guò)確定漏電流與反向電壓V、電場(chǎng)E和溫度T的線性依賴(lài)關(guān)系來(lái)確定.本文主要基于階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)準(zhǔn)垂直GaN SBD 的反向J-V曲線仿真結(jié)果,分析準(zhǔn)垂直GaN SBD 的主要漏電機(jī)制.在高電場(chǎng)下,本文主要考慮了PFE,肖特基勢(shì)壘隧穿(Schottky barrie tunneling,SBT)和FNT 等漏電機(jī)制.

基于PFE 機(jī)制的漏電流可以描述為[27]

由ST 機(jī)制決定的漏電流為

基于FNT 機(jī)制的漏電流可以表示為[28,29]

式中,E代表n—GaN 漂移層的最大峰值電場(chǎng)強(qiáng)度.

圖5(a) 為—330 V 以上的高反向電壓下,PFE 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/E)與E1/2,ST 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/T2)與E1/2的線性依賴(lài)關(guān)系圖.可以看出ln(I/E)與E1/2,ln(I/T2)與E1/2均呈線性關(guān)系,分別符合(3)式和(4)式所對(duì)應(yīng)的漏電流表達(dá)式,證明存在PFE與SBT 漏電機(jī)制.圖5(b) 為在—330 V 以上的高反向電壓下,FNT 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/E)與—1/E的線性依賴(lài)關(guān)系,可以看出 ln(I/E)與—1/E也呈線性關(guān)系,與(5)式對(duì)應(yīng)的漏電流表達(dá)式相符,說(shuō)明了FNT機(jī)制在—330 V 以上高反向電壓下起作用.根據(jù)以上分析可知,在高電場(chǎng)下,PFE,SBT 和FNT 機(jī)制是準(zhǔn)垂直GaN SBD 主要的漏電機(jī)制.

但是,當(dāng)施加的反向電壓低于—300 V 時(shí),曲線開(kāi)始偏離線性關(guān)系,表明上述漏電流機(jī)制組合不適用于反向電壓相對(duì)較低的情況.在較小的反向電壓下,漏電流與溫度T和反向電壓V的依賴(lài)性變強(qiáng),熱電子發(fā)射機(jī)制成為主要的漏電流機(jī)制.假設(shè)熱電子發(fā)射是這種情況下的主要漏電機(jī)制,其對(duì)應(yīng)的漏電流表達(dá)式為

式中,Δφ為鏡像力導(dǎo)致的勢(shì)壘高度的降低量,E為 電場(chǎng)強(qiáng) 度,?s為GaN 的介 電常數(shù),φb為勢(shì) 壘高度.對(duì) (6) 式和(7) 式求對(duì)數(shù)可得到

由 (7) 式和 (8) 式可知當(dāng)熱電子發(fā)射機(jī)制起主要作用時(shí),有.如圖5(c)所示,在30 V以下對(duì)應(yīng)的低反向電壓下,lnI和E1/2呈線性函數(shù),說(shuō)明熱電子發(fā)射為主要的漏電流機(jī)制.如圖5(d)所示,在200—400 K 的溫度范圍內(nèi),肖特基勢(shì)壘高度Φb(0.72 eV)可以根據(jù)lnI與1000/T的線性關(guān)系曲線的斜率來(lái)表示計(jì)算.

圖5 線性依賴(lài)關(guān)系圖 (a) PFE 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/E)與E 1/2 和SBT 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/T 2)與E 1/2;(b) 高反向電壓—580——330 V 時(shí),FNT 機(jī)制對(duì)應(yīng)的ln(I/E 2)與—1/E;在低電場(chǎng)及反向電壓小于—300 V 下,熱電子發(fā)射機(jī)制對(duì)應(yīng)的 (c) ln I 與E1/2 和(d) lnI與1000/T 關(guān)系;在中等電場(chǎng)強(qiáng)度及反向電壓—300— —120 V 下,VRH 機(jī)制對(duì)應(yīng)的 (e) lnJ 與 E,(f) lnJ 與T —5/4 關(guān)系(對(duì)應(yīng)的溫度范圍為200—400 K)Fig.5.Plots of (a) ln(I/E) versus E 1/2 for PFE and ln(I/T 2) versus E 1/2 for SBT;(b) ln(I/E 2) versus —1/E for FNT under high reverse voltages from —580 V to —330 V;(c) ln I versus E 1/2 for thermal emission under small reverse voltages of lower than —300 V;(d) temperature (200—400 K) dependent plot of ln I versus 1000/T;(e) lnJ versus E and (f) lnJ versus T-5/4 (200—400 K) for VRH under medium high reverse voltages from —300 V to —120 V.

在—120— —330 V 對(duì)應(yīng)的中等反向電壓下,VRH機(jī)制用來(lái)描述載流子從一個(gè)深能級(jí)到另一個(gè)深能級(jí)可變范圍跳變的物理過(guò)程,也可能在漏電機(jī)制中起重要作用.VRH 機(jī)制所描述的漏電流的表達(dá)式為[9]

式中,J(0)是零電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電流密度,T0是GaN材料中與缺陷態(tài)密度相關(guān)的特征溫度,E為電場(chǎng),e為電子電荷,C為常數(shù),a是電子波函數(shù)的局域半徑.

為了驗(yàn)證VRH 機(jī)制的有效性,本文在反向電壓為—120— —300 V 的條件下求反向漏電流密度的對(duì)數(shù)值lnJr與E和T—5/4的函數(shù)關(guān)系.如圖5(e),(f)所示,lnJr與E以及T—5/4呈線性關(guān)系,證明了VRH機(jī)制是中等強(qiáng)度電場(chǎng)下GaN SBD 主要的漏電機(jī)制.

3.5 器件電學(xué)特性總結(jié)

最后,本文進(jìn)行階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的正向J-V特性仿真,并得到如圖6(a)所示的正向J-V特性曲線.在2 V 的正向電壓下,階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)達(dá)到了超過(guò)300 A/cm2的正向電流密度,電流擺幅約為11 個(gè)數(shù)量級(jí),得到器件的比導(dǎo)通電阻Ron=4.6 mΩ·cm2.

圖6 (a) 含有階梯型場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)GaN SBD 的正向J-V 特性曲線;(b) 多級(jí)階梯型場(chǎng)板終端結(jié)構(gòu)GaN SBD 的正向J-V 特性曲線Fig.6.(a) Forward J-V curve of the stepped FP structure;(b) forward J-V curves of the quasi-vertical GaN SBDs with multi-stepped FP.

為了進(jìn)一步說(shuō)明階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)改善GaN SBD 電學(xué)特性的有效性,本文嘗試使用含有多個(gè)階梯的多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步研究,得到的器件主要電學(xué)特性參數(shù)如表2 所列.可知,相對(duì)于不含階梯的場(chǎng)板結(jié)構(gòu),單級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)在幾乎不犧牲正向電學(xué)特性的前提下,可有效將擊穿電壓提升30 V 以上.對(duì)于多級(jí)場(chǎng)板結(jié)構(gòu),當(dāng)增加階梯型場(chǎng)板的階數(shù)時(shí),準(zhǔn)垂直型GaN SBD 的擊穿電壓呈現(xiàn)略微上升的趨勢(shì);然而器件的導(dǎo)通電阻明顯增大,正向電學(xué)特性呈現(xiàn)明顯惡化的趨勢(shì),如圖6(b)所示.

表2 準(zhǔn)垂直型GaN SBD 多級(jí)階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的主要電學(xué)參數(shù)Table 2.Key electrical parameters of quasi-vertical GaN SBDs with multi-stepped FP.

為了綜合考慮器件的整體電學(xué)特性,本文利用Baliga 優(yōu)值BFOM(BV2/Ron)來(lái)描述正向電學(xué)特性和反向電學(xué)特性之間的折中關(guān)系.如表2 所列,單級(jí)階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)顯示出最高的BFOM 值,整體電學(xué)性能最優(yōu).

3.6 器件性能對(duì)比

圖7 擬合了近些年來(lái)研究文獻(xiàn)[9,30-32]報(bào)道的藍(lán)寶石襯底的準(zhǔn)垂直GaN SBD 擊穿電壓與導(dǎo)通電阻的散點(diǎn)分布圖.其中Li 等[33]報(bào)道的準(zhǔn)垂直GaN SBD 中采用新型TiN 做肖特基金屬,并代替了傳統(tǒng)的Ni 金屬,最終得到的器件具有極低的導(dǎo)通電阻和高達(dá)119.05 MW/cm2的BFOM 值.Gupta等[34]報(bào)道通過(guò)在n—GaN 漂移區(qū)上添加p—GaN 帽層結(jié)構(gòu),使得器件的BFOM 高達(dá)104.49 MW/cm2,然而,GaN p 型摻雜的工藝技術(shù)難點(diǎn)限制了其廣泛應(yīng)用.Bian 等[9,35]通過(guò)使用陽(yáng)極選擇性F 離子處理工藝,使器件的BFOM 值從27.56 MW/cm2迅速提高至42.90 MW/cm2.

圖7 藍(lán)寶石襯底準(zhǔn)垂直型GaN SBD 的擊穿電壓與導(dǎo)通電阻的對(duì)比圖(BFOM 單位為MW/cm2)Fig.7.Bench marking the break down voltage and on-resistance of quasi-vertical GaN SBDs on sapphire substrates.

本文通過(guò)引入階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu),使準(zhǔn)垂直型GaN SBD 的BFOM 得到了很大的提高,達(dá)到了73.81 MW/cm2,這說(shuō)明階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)在高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻之間取得了很好的折中,在準(zhǔn)垂直GaN SBD 設(shè)計(jì)中,階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)能夠有效改善器件電學(xué)特性.

4 結(jié)論

綜上所述,本文首先建立了器件的復(fù)合漏電模型,精準(zhǔn)描述了準(zhǔn)垂直GaN SBD 的反向J-V曲線.隨后,采用場(chǎng)板結(jié)構(gòu)來(lái)提高GaN SBD 的擊穿電壓,基于構(gòu)建的模型對(duì)準(zhǔn)垂直GaN SBD 漏電模型和器件場(chǎng)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究.結(jié)果表明,在不降低導(dǎo)通電阻的情況下,提出的階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的GaN SBD 的擊穿電壓得到了顯著提升.進(jìn)一步分析表明,在高電場(chǎng)作用下,PFE,SBT 和FNT是準(zhǔn)垂直GaN SBD 主要的漏電機(jī)制.同時(shí),在中小電場(chǎng)下,熱電子發(fā)射和VRH 是主要的漏電機(jī)制.設(shè)計(jì)的單級(jí)階梯型場(chǎng)板結(jié)構(gòu)準(zhǔn)垂直GaN SBD 具有73.81 MW/cm2的高BFOM,性能優(yōu)良的準(zhǔn)垂直器件結(jié)構(gòu)的研究和開(kāi)發(fā)將顯著降低垂直型GaN SBD 器件的成本,便于推廣使用,提高其應(yīng)用價(jià)值.