多场环结构对GaN基JBS...穿电压和正向工作电流的影响_陈宏佑.pdf

河北工业大学学报JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2023 年 2 月February 2023第 52 卷 第 1 期Vol.52 No.1多场环结构对GaN基JBS击穿电压和正向工作电流的影响陈宏佑1，王志忠1，黄福平1，楚春双1，张勇辉1，2，张紫辉1，2（1.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；2.天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300401）摘要通过TCAD仿真模拟计算，系统地研究了不同结构参数对GaN基结势垒肖特基二极管（Junction Barrier Schottky Diode）电学特性的影响。JBS 二极管在肖特基接触下方以若干个 p 型场环取代 N-GaN 漂移区，通过电荷耦合效应降低肖特基接触位置的电场强度，减弱镜像力的影响以达到减小反向漏电和提高击穿电压的效果。研究表明，P-GaN场环的厚度、掺杂浓度及场环的间隔均对器件的反向击穿电压有明显影响。例如，采用适当厚度的场环可以显著降低反偏状态下肖特基接触位置下方的电场强度，同时不会产生过大的pn结漏电，最优厚度300 nm的场环可以实现1 120 V的击穿电压。同时，由于阳极金属分别与N-GaN和P-GaN形成肖特基接触和欧姆接触，JBS二极管可以实现低开启电压。当pn开启后，P-GaN内空穴注入漂移区产生电导调制效应，有助于提高正向电流密度。关键词击穿电压；漏电流；结势垒肖特基（JBS）二极管；电荷耦合；器件优化中图分类号TN312.8文献标志码AEffects of multi field ring edge termination on the breakdownvoltage and forward current for GaN-based junction barrierSchottky diodeCHEN Hongyou1,WANG Zhizhong1,HUANG Fuping1,CHU Chunshuang1,ZHANG Yonghui1,2,ZHANG Zi-Hui1,2（1.School of Electronics and Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Key Laborato-ry of Electronic Materials and Devices of Tianjin,Tianjin 300401,China）AbstractWe systematically investigate the impact of different structural parameters on the electrical characteristic forGaN-based junction barrier schottky(JBS)diode with the help of TCAD simulation tools.The N-GaN drift region underthe Schottky contact is partly replaced by several p-type GaN field rings,so the electric field magnitude at/near theSchottky contact interface can be markedly reduced by using the charge-coupling effect.The charge-coupling effect results in the weakened image force,and thus the decreased leakage current and increased breakdown voltage(BV)can beobtained.According to our results,the thickness,p-type doping concentration,and the spacing of the P-GaN field ringhave a significant impact on the reverse blocking characteristics for the studied devices.In the reverse bias state,theelectric field magnitude at the Schottky contact interface can be reduced by using a field ring with an optimized thickness,e.g.,the BV can reach 1 120 V when the field ring with the 300 nm thickness is used.At the same time,the leakage current at p-n junction will not be greatly increased.Meanwhile,the JBS diode can achieve a low turn-on voltage(VON)when the anode metal forms the Schottky contact and ohmic contact on the N-GaN and P-GaN,respectively.When the p-n junction is turned on,the hole injection into the drift region produces an enhanced conductance modulation effect,then the forward current density can be increased.Key wordsbreakdown voltage;leakage current;junction barrier Schottky(JBS)diode;charge-coupling effect;deviceoptimization文章编号：1007-2373（2023）01-0032-09DOI：10.14081/ki.hgdxb.2023.01.005收稿日期：2022-05-23基金项目：国家自然科学基金（62074050）；河北工业大学电气设备可靠性与智能国家重点实验室（EERI_PI2020008）第一作者：陈宏佑（1996），男，硕士研究生。通信作者：张紫辉（1983），男，教授，。陈宏佑，等：多场环结构对GaN基JBS击穿电压和正向工作电流的影响陈宏佑，等：多场环结构对GaN基JBS击穿电压和正向工作电流的影响33第 1 期0引言GaN作为第三代半导体材料，因其具有临界电场大，电子饱和漂移速度和热导率高等优点，成为了当下电力电子器件研究的热门方向并已在多个领域得到广泛应用1-2；肖特基势垒二极管（SBD）为单极性器件，具有开启电压低，开关速度快等优点。目前，GaN基SBD器件主要分为两类，一类为生长在异质衬底，如Si、SiC上的水平结构异质结SBD，另一类为生长在GaN自支撑衬底上的垂直结构SBD。得益于族氮化物具有自发极化和压电极化的特性，无需故意掺杂即可在GaN/AlGaN异质结处形成一层高密度的二维电子气（2DEG），可实现低导通电阻和快速开关3-4。但异质结SBD大多生长在异质衬底上，材料生长时的晶格失配现象会导致反向漏电流增加5-6；同时，表面态的存在会导致电流崩塌现象和动态电阻上升7-9。垂直结构SBD的漂移区可以很好地承担电压，形成耗尽区，并且由于电流在器件内纵向流动，所以受表面态的影响较小。尽管SBD拥有低开启电压和快速开关等优点，但其较低的击穿电压已不能满足当前电子行业发展的需要。结势垒肖特基（JBS）二极管在拥有SBD优点10-11的基础上，在肖特基接触下方设置若干个高掺杂的P-GaN场环，如图1a）所示。当对器件加反向偏压时，耗尽区随着电压的增大不断扩大，进而联结在一起，使强电场不出现在肖特基电极附近12。对于金半接触位置的漂移区，两侧的P-GaN可以对N-GaN漂移区形成二维耗尽，通过电荷耦合效应屏蔽强电场，避免镜像力导致的肖特基势垒降低现象13-15。肖特基电极下方的P-GaN与N-GaN漂移区形成了若干个pn结，在反向偏置时，pn结会产生漏电。P-GaN场环各项参数，如场环的厚度、掺杂浓度则对电荷耦合和pn结漏电有很大的影响，器件设计时选择适当的参数便尤为重要。本文详细研究了JBS二极管P-GaN场环的厚度、间隔、掺杂浓度以及场环宽度对器件反向击穿电压，反向漏电，电场分布及正向特性的影响。1器件结构及参数本文所研究的JBS二极管结构如图1a）所示，参考器件为平面肖特基势垒二极管，如图1b）所示。器件直径为66 m；漂移区厚度为9 m，非故意n型掺杂浓度为21016/cm3；GaN衬底的Si掺杂浓度为51018/cm3，阴极金属与衬底形成欧姆接触。P-GaN场环的宽度，厚度，间隔分别用Qp,Tp,Wn来表示。器件上方金属与N-GaN漂移区形成肖特基接触。我们采用半导体器件模拟软件（APSYS）进行仿真计算，考虑的物理模型包括连续性方程，泊松方程，漂移扩散模型和碰撞电离模型等。本论文所考虑的物理模型已经过实验校准，实验结果和仿真结果具有高的一致性16。GaN材料的电子和空穴的碰撞电离系数(n和p)用Chynoweth方程式表示，如方程式（1）和（2）所示17：n=2.9108cm-1e(-3.4107V/cmE),（1）图 1a）JBS 二极管与；b）平面 SBD 结构示意图；c）JBS 二极管与平面 SBD 反向 I-V 特性曲线Fig.1Schematic cross section for a)GaN-based JBS diode and b)planar SBD;c)current as the function of the reverse bias for JBS diode and planar SBDa）阳极N-GaN漂移层，9 m（21016cm-3）N+-GaN衬底（51018cm-3）阴极WpWnTpb）阳极N-GaN漂移层，9 m（21016cm-3）N+-GaN衬底（51018cm-3）阴极10110010-110-210-310-410-510-610-7电流密度/（A/cm2）反向电压/V02004006008001 000 1 200c）JBS二极管平面SBD河北工业大学学报34第 52 卷p=1.34108cm-1e(-2.03107V/cmE)，（2）式中E为漂移区内的电场强度。GaN材料的临界电场设置为3 MV/cm18。碰撞电离系数定义了每单位距离上由单个电子或空穴产生的电子-空穴对的数量。为了方便下文表述，我们将所研究器件的结构信息列在表1。图1c）为场环厚度为500 nm，宽度为2 m，间隔为2 m，P-GaN掺杂浓度为51017/cm3的JBS二极管与平面SBD的反向电流-电压（I-V）特性曲线，证明了JBS二极管可有效提高SBD的击穿电压。2结果与讨论2.1P-GaN 场环厚度对 GaN 基 JBS 二极管反向击穿特性的影响为了研究P-GaN场环厚度与器件反向击穿电压的关系，设计了器件A1A5，场环厚度为200nm到600nm，其结构的详细参数见表1。不同P-GaN场环厚度的器件的反向击穿特性曲线如图2a）所示，可以发现当场环厚度大于300 nm后，击穿电压随着P-GaN场环厚度的增加而减小。图2b）展示了器件A1A5沿场环间隔中线的电场分布，虚线所示的是平面SBD垂直方向的电场分布。在电场分布图中可以看到，场环厚度为Tp=200 nm的器件A1在肖特基接触位置下方的电场强度仅略