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GaN作为第三代半导体的代表, 因其具有高击穿场[1,2]、高电子饱和速度[3]等优异的物理特性, 已经成为高频、快速开关速度[4]、高工作温度功率器件的理想选择. 垂直GaN肖特基势垒二极管(SBD)引入了更均匀的电场和电流分布, 这使得高电流的良好传输成为可能[5], 同时, 在处理高击穿电压、低反向漏电流时, 表现出更大的优势[6]. 然而, 由于垂直GaN SBD器件衬底成本高, 限制了其商业发展, 因此, 在蓝宝石衬底上生长的准垂直GaN SBD结构受到广泛关注.
漏电流是准垂直GaN SBD反向特性的关键参数, 漏电流仿真对于器件的优化非常重要. 然而, 与漏电流相关的物理模型的不准确性给准垂直GaN SBD的设计带来了很大的困难. 在Bouzid等[7]的研究中, 考虑受体陷阱对准垂直GaN SBD反向漏电流的影响, 通过电流-电压关系分析受体陷阱状态的影响. 然而, 对10–5 cm–2以上相对较高的反向电流密度所对应的相对较高电场的研究仍然缺乏. 由于GaN材料的大量缺陷和其他复杂的漏电机制, 使用硅基器件物理模型模拟的反向漏电流表现出不可靠的值[8]. 因此, 与漏电流相关的物理模型仍亟待进一步研究. 本文深入研究了与GaN功率器件相关的物理模型, 基于所提出的新型复合器件漏电模型, 模拟了SBD 的反向J-V 曲线, 其与Bian等[9]的实验所得的反向J-V 曲线非常吻合. 这为本文后续提出并设计的阶梯型场板(FB)准垂直GaN SBD提供了重要手段和依据.
击穿电压是GaN SBD 的一个重要特性, 许多研究团队都在致力于提高器件的击穿电压. 金属场板是在几乎不牺牲GaN SBD正向特性的前提下提高其击穿电压的一种重要终端结构[10,11]. 传统平面场板可以有效提高GaN功率器件的击穿电压[6,12], 然而, 平面场板结构展宽耗尽层、改善电场分布的能力难以与器件电学性能的期望相匹配. 阶梯型场板结构作为复合场板结构的代表, 是提高器件击穿电压的更好选择.
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本研究结合若干已有的GaN SBD漏电流测试结果, 从适用于GaN功率器件的仿真模型[13,14]获得如表1所列的GaN SBD复合漏电模型, 并选取其中关键物理模型进行说明.
不完全电离模型主要用来描述GaN中掺入的杂质不能完全电离的现象. 因为半导体中载流子浓度高, 降低了杂质的活化能, 电离能(∆ED/A)与载流子浓度的关系模型公式为
式中, ∆ED, 0和∆EA, 0是低掺杂水平下的施主和受主电离能,
$ N_{\text{D}}^ + $ 和$ N_{\text{A}}^ - $ 是原始受主和施主电离对应物的浓度, 电离率(αn和αp)的值均设置为3.4 × 10–6 meV·cm[15] .考虑到GaN中的缺陷[16], 本文采用陷阱辅助隧穿(PAT)模型来更准确地描述载流子传输过程, 其中, 电子从金属-半导体界面处的陷阱能级激发并隧穿进入GaN SBD中的导带[17]. 接下来本文通过定义受主陷阱能级及能量密度和能级位置来描述GaN SBD的声子辅助隧穿过程.
在肖特基势垒隧穿(SBT)模型中, 通过假设肖特基势垒表面存在缺陷, 使得肖特基势垒变薄[18], 从而增加了隧穿电流. 隧穿电流JT是肖特基接触附近的局部隧穿速率积分的函数, 可以表示为
式中, Г(E)表示隧穿概率, E表示肖特基势垒表面的载流子能量, fs(E)和fm(E)分别是半导体和金属中的Fermi-Dirac分布函数.
非局域隧穿(NT)模型主要用来描述能带间载流子的隧穿行为, 对于描述GaN SBD的漏电流起主要作用[19,20]. 如器件中存在足够高的电场, 则局部能带弯曲足以允许电子从价带隧穿到导带. 为了检验SBT模型和NT模型对准垂直GaN SBD漏电流的影响, 提取了仿真和实验的反向J-V实验测试曲线, 实验对比模型使用图1(c)中插图的结构[9], 对比结果如图1(a), (b)所示. 从对比结果可以看出, SBT模型和NT模型分别修正了漏电流小于/大于10–3 cm–3时对应的反向J-V曲线, 通过这些模型的修正作用, 使得到的反向J-V仿真曲线能较为全面地反映不同反向电压下对应的漏电流传输情况.
GaN饱和迁移率模型用于描述高电场下载流子的行为, 其中, 在高电场情况下, 饱和迁移率vh, sat设置为7 × 106 cm/s. 此外, Albrecht模型[21]是通过在迁移率中定义“albrct.n”来选择的, 主要用于描述低电场中载流子的输运过程, 这使得模拟结果与实验结果之间具有更好的一致性.
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为了验证本文提出的复合漏电模型的有效性, 将采用复合模型仿真得到的反向J-V曲线与从文献[9]中对应结构的漏电流测试曲线进行了比较, 如图1(c)所示, 两者匹配很好, 证明了所提复合漏电模型的合理性和准确性.
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在准垂直GaN器件的实际功率应用中, 需要保证器件的击穿电压足够高. 降低n– GaN层掺杂浓度是提高准垂直GaN器件击穿电压的有效途径, 但不可避免地会增大器件的导通电阻, 影响器件的正向特性. 为了提高准垂直GaN SBD的击穿电压, 本文对几种场板结构进行了比较和讨论.
图2显示了几种不同场板结构仿真的准垂直GaN SBD的截面. 在蓝宝石衬底上先构建掺杂浓度为5 × 1018 cm–3的1 µm厚n+ GaN层, 然后构建掺杂浓度为8 × 1015 cm–3的5 µm厚的n– GaN漂移层, 器件长度均为300 µm, 阳极电极长度为80 µm, 阴极长度为40 µm. 为了减轻n– GaN漂移区侧壁的局部电场集中效应并削弱深刻蚀工艺带来的刻蚀深度误差, 在器件结构的设计过程中考虑了两步刻蚀工艺. 第一步刻蚀深度为1.4 μm, 第二步腐蚀深度为3.6 μm, 器件表面淀积的钝化层厚度为300 nm.
图2(a)展示了不含任何终端结构的常规器件结构. 在图2(b)展示了平面型场板结构, 其中金属场板设计在Ni/Al肖特基阳极和钝化层周围. 而SiO2/Si3N4钝化层结合了Si3N4的高临界击穿场强和SiO2的高稳定性、高强度的优点[22,23], 是准垂直型GaN SBD钝化层的一种可行选择. 图2(c)给出了接触型场板GaN SBD的结构图, 其中金属场板与钝化层接触, 可以通过与平面型场板结构进行比较, 可获得金属场板与钝化层的相对位置对器件反向电学特性的影响. 为了进一步减小n– GaN漂移区边缘的电场集中效应, 本文提出了图2(d)所示的阶梯型场板结构, 通过与图2(b)所示的平面型场板结构对比, 来验证阶梯型场板结构对于改善准垂直SBD器件反向电学特性的有效性.
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图3(a)显示了不同场板结构的准垂直GaN SBD的电流密度J与反向电压V的关系. 将反向漏电流密度为1 A/cm2对应的反向电压设置为器件的击穿电压. 当反向电压大于–300 V时, 与其他带场板结构相比, 阶梯型场板结构反向漏电流降低2—4个数量级, 反向击穿电压明显改善. 相对于图3(b) 平面型场板结构, 阶梯型场板结构的击穿电压有30 V以上的提升; 而相对于图3(a) 的无场板结构, 击穿电压更是提高了约230 V. 此外, 与传统平面场板结构相比, 阶梯型场板结构仅需要多出几个蚀刻步骤, 不会显著增加制造过程的复杂性.
然后对阶梯型场板的结构几何参数进行优化, 以改善准垂直GaN SBD的反向电学特性. 采用控制单一变量的方法, 依次改变阶梯型场板的阶梯高度和宽度, 得到如图3(b)的数据结果. 由此可看出, 当阶梯型场板的阶梯高度和长度分别取0.1 μm和10.0 μm时, 反向击穿电压(BV)达到最大值.
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图4展示了不同场板终端结构的准垂直GaN SBD在–550 V反向电压下的电场分布图. 图4(a)展示了不含任何终端结构的常规器件结构; 图4(b)为平面型场板结构, 金属场板设计在Ni/Al肖特基阳极和钝化层周围. 图4(c)给出了接触型场板结构图, 其中金属场板与钝化层接触. 图4(d) 为本文提出的阶梯型场板结构. 由电场分布图可以看出, 阶梯型场板结构中n– GaN漂移层的电场分布更加均匀, 电场集中效应明显改善. 由此推断, 阶梯型场板具有较强的展宽耗尽层宽度的能力, 从而有效降低器件表面和边缘的局部电场集中效应, 使得最容易发生击穿的器件表面和边缘的电场分布得以改善, 避免了器件过早击穿.
如图4(e)所示, 本文沿着肖特基电极与n– GaN漂移层的界面处给出了几种场板结构中n– GaN漂移层的电场分布曲线. 在高反向电压下, 阶梯型场板通过引入次级电场峰值来降低整体电场峰值. 此外, 在阶梯型场板结构中, SiO2/Si3N4钝化层承担了更多的电场分量, 降低了n– GaN漂移层需承担的电场分量. 由于SiO2/Si3N4钝化层电场峰值对应的电场强度远小于Si3N4的临界击穿场强(5—10 MV/cm)[24,25], 而Si3N4的临界击穿场强明显大于GaN的临界击穿场强(3.3 MV/cm)[26], 因此阶梯型场板可以起到降低n– GaN层的峰值电场强度、保护n– GaN漂移层的目的.
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GaN SBD中存在的位错/缺陷使得器件的漏电流机制复杂, 常见的漏电机制包括 Poole-Frenke发射(Poole Frenke emission, PFE), 变程跳跃(variable range hopping, VRH), 空间电荷限制(space charge limited, SCL), Fowler-Nordheim 隧穿 (Fowler-Nordheim tunneling, FNT)等, 这些漏电机制的漏电流与反向电压V、电场E和温度T的幂指数等有一定的关系. 具体漏电机制可以通过确定漏电流与反向电压V、电场E和温度T的线性依赖关系来确定. 本文主要基于阶梯型场板结构准垂直GaN SBD的反向J-V曲线仿真结果, 分析准垂直GaN SBD的主要漏电机制. 在高电场下, 本文主要考虑了PFE, 肖特基势垒隧穿(Schottky barrie tunneling, SBT)和FNT等漏电机制.
基于PFE机制的漏电流可以描述为[27]
由ST机制决定的漏电流为
式中, E代表n– GaN漂移层的最大峰值电场强度.
图5(a) 为–330 V以上的高反向电压下, PFE机制对应的ln(I/E)与E 1/2, ST机制对应的ln(I/T 2)与E 1/2的线性依赖关系图. 可以看出ln(I/E)与E 1/2, ln(I/T 2)与E1/2均呈线性关系, 分别符合(3)式和(4)式所对应的漏电流表达式, 证明存在PFE与SBT漏电机制. 图5(b) 为在–330 V以上的高反向电压下, FNT机制对应的ln(I/E)与–1/E的线性依赖关系, 可以看出 ln(I/E)与–1/E也呈线性关系, 与(5)式对应的漏电流表达式相符, 说明了FNT机制在–330 V以上高反向电压下起作用. 根据以上分析可知, 在高电场下, PFE, SBT和FNT机制是准垂直GaN SBD主要的漏电机制.
但是, 当施加的反向电压低于–300 V时, 曲线开始偏离线性关系, 表明上述漏电流机制组合不适用于反向电压相对较低的情况. 在较小的反向电压下, 漏电流与温度T和反向电压V的依赖性变强, 热电子发射机制成为主要的漏电流机制. 假设热电子发射是这种情况下的主要漏电机制, 其对应的漏电流表达式为
式中,
$ \Delta \varphi $ 为镜像力导致的势垒高度的降低量, E为电场强度,$ {\epsilon }_{\mathrm{s}} $ 为GaN的介电常数,$ {\phi }_{\mathrm{b}} $ 为势垒高度. 对 (6) 式和(7) 式求对数可得到由 (7) 式和 (8) 式可知当热电子发射机制起主要作用时, 有ln(ITE) ∝
$ \sqrt{E} $ . 如图5(c)所示, 在30 V以下对应的低反向电压下, ln I和E 1/2呈线性函数, 说明热电子发射为主要的漏电流机制. 如图5(d)所示, 在200—400 K的温度范围内, 肖特基势垒高度Φb (0.72 eV)可以根据ln I与1000/T的线性关系曲线的斜率来表示计算.在–120— –330 V对应的中等反向电压下, VRH机制用来描述载流子从一个深能级到另一个深能级可变范围跳变的物理过程, 也可能在漏电机制中起重要作用. VRH机制所描述的漏电流的表达式为[9]
式中, J (0)是零电场对应的电流密度, T0是GaN材料中与缺陷态密度相关的特征温度, E为电场, e为电子电荷, C为常数, a是电子波函数的局域半径.
为了验证VRH机制的有效性, 本文在反向电压为–120— –300 V的条件下求反向漏电流密度的对数值lnJr与E和T –5/4的函数关系. 如图5(e), (f)所示, lnJr与E以及T –5/4呈线性关系, 证明了VRH机制是中等强度电场下GaN SBD主要的漏电机制.
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最后, 本文进行阶梯型场板结构的正向J-V特性仿真, 并得到如图6(a)所示的正向J-V特性曲线. 在2 V的正向电压下, 阶梯型场板结构达到了超过300 A/cm2的正向电流密度, 电流摆幅约为11个数量级, 得到器件的比导通电阻Ron = 4.6 mΩ·cm2.
为了进一步说明阶梯型场板结构对改善GaN SBD电学特性的有效性, 本文尝试使用含有多个阶梯的多级场板结构进行了进一步研究, 得到的器件主要电学特性参数如表2所列. 可知, 相对于不含阶梯的场板结构, 单级场板结构在几乎不牺牲正向电学特性的前提下, 可有效将击穿电压提升30 V以上. 对于多级场板结构, 当增加阶梯型场板的阶数时, 准垂直型GaN SBD的击穿电压呈现略微上升的趋势; 然而器件的导通电阻明显增大, 正向电学特性呈现明显恶化的趋势, 如图6(b)所示.
为了综合考虑器件的整体电学特性, 本文利用Baliga优值BFOM(BV 2/Ron)来描述正向电学特性和反向电学特性之间的折中关系. 如表2所列, 单级阶梯型场板结构显示出最高的BFOM值, 整体电学性能最优.
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图7拟合了近些年来研究文献[9, 30-32]报道的蓝宝石衬底的准垂直GaN SBD击穿电压与导通电阻的散点分布图. 其中Li等[33]报道的准垂直GaN SBD中采用新型TiN做肖特基金属, 并代替了传统的Ni金属, 最终得到的器件具有极低的导通电阻和高达119.05 MW/cm2的BFOM值. Gupta等[34]报道通过在n– GaN漂移区上添加p– GaN帽层结构, 使得器件的BFOM高达104.49 MW/cm2, 然而, GaN p型掺杂的工艺技术难点限制了其广泛应用. Bian等[9,35]通过使用阳极选择性F离子处理工艺, 使器件的BFOM值从27.56 MW/cm2迅速提高至42.90 MW/cm2.
本文通过引入阶梯型场板结构, 使准垂直型GaN SBD的BFOM得到了很大的提高, 达到了73.81 MW/cm2, 这说明阶梯型场板结构在高击穿电压和低导通电阻之间取得了很好的折中, 在准垂直GaN SBD设计中, 阶梯型场板结构能够有效改善器件电学特性.
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综上所述, 本文首先建立了器件的复合漏电模型, 精准描述了准垂直GaN SBD的反向J-V曲线. 随后, 采用场板结构来提高GaN SBD的击穿电压, 基于构建的模型对准垂直GaN SBD漏电模型和器件场板结构进行了设计和研究. 结果表明, 在不降低导通电阻的情况下, 提出的阶梯型场板结构的GaN SBD的击穿电压得到了显著提升. 进一步分析表明, 在高电场作用下, PFE, SBT和FNT是准垂直GaN SBD主要的漏电机制. 同时, 在中小电场下, 热电子发射和VRH是主要的漏电机制. 设计的单级阶梯型场板结构准垂直GaN SBD具有73.81 MW/cm2的高BFOM, 性能优良的准垂直器件结构的研究和开发将显著降低垂直型GaN SBD器件的成本, 便于推广使用, 提高其应用价值.
复合漏电模型建立及阶梯场板GaN肖特基势垒二极管设计
Establishment of composite leakage model and design of GaN Schottky barrier diode with stepped field plate
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摘要: 准垂直GaN肖特基势垒二极管(SBD)因其低成本和高电流传输能力而备受关注. 但其主要问题在于无法很好地估计器件的反向特性, 从而影响二极管的设计. 本文考虑了GaN材料的缺陷以及多种漏电机制, 建立了复合漏电模型, 对准垂直GaN SBD的特性进行了模拟, 仿真结果与实验结果吻合. 基于此所提模型设计出具有高击穿电压的阶梯型场板结构准垂直GaN SBD. 根据漏电流、温度和电场在反向电压下的相关性, 分析了漏电机制和器件耐压特性, 设计的阶梯型场板结构准垂直GaN SBD的Baliga优值BFOM达到73.81 MW/cm2.Abstract: Quasi-vertical GaN barrier Schottky diodes have attracted much attention due to their low cost and high current transfer capability. The main problem is that the reverse characteristics of the devices may not be well estimated, which affects the design of the diodes. In this paper, the defects of GaN materials and the leakage related tunneling mechanisms accompanied with other mechanisms are considered. Based on the established composite device models, the reverse leakage current is simulated which is well consistent with the recent experimental result. With the assistance of the proposed models, several field plate structures are discussed and simulated to obtain a quasi-vertical GaN barrier Schottky diode with high breakdown voltage. The major leakage mechanisms are also analyzed according to the relation among leakage current, temperature and electric field at various reverse voltages. High BFOM up to 73.81 MW/cm2 is achieved by adopting the proposed stepped field plate structure.
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Key words:
- GaN Schottky barrier diode /
- leakage current /
- breakdown voltage /
- stepped field plate .
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图 1 准垂直GaN SBD关键仿真模型 (a) SBT模型; (b) NT模型; (c) 准垂直GaN SBD的仿真和文献[9]提取的反向J-V实验测试曲线比较, 插图给出了仿真的器件结构
Figure 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.
图 2 准垂直GaN SBD截面示意图 (a) 无场板结构; (b) 平面型场板结构; (c) 接触型场板结构; (d) 阶梯型场板结构
Figure 2. Cross-sections of different quasi-vertical GaN SBDs: (a) Without FP; (b) with plane FP; (c) with contacted FP; (d) with stepped FP.
图 3 (a) 不同场板终端结构的准垂直GaN SBD的反向J-V特性曲线; (b) 阶梯型场板结构的几何参数与击穿电压的关系曲线(插图展示了阶梯型场板的结构示意图)
Figure 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.
图 4 不同场板终端结构的准垂直GaN SBD的电场分布图 (a) 无场板结构; (b) 平面型场板结构; (c) 接触型场板结构; (d) 阶梯型场板结构; (e) 不同场板终端结构GaN SBD的n–GaN漂移层电场分布曲线
Figure 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.
图 5 线性依赖关系图 (a) PFE机制对应的ln(I/E)与E 1/2和SBT机制对应的ln(I/T 2)与E 1/2; (b) 高反向电压–580—–330 V时, FNT机制对应的ln(I/E 2)与–1/E; 在低电场及反向电压小于–300 V下, 热电子发射机制对应的 (c) ln I与E1/2和(d) lnI与1000/T关系; 在中等电场强度及反向电压–300— –120 V下, VRH机制对应的 (e) lnJ与 E, (f) lnJ与T –5/4关系(对应的温度范围为200—400 K)
Figure 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.
图 6 (a) 含有阶梯型场板终端结构GaN SBD的正向J-V特性曲线; (b) 多级阶梯型场板终端结构GaN SBD的正向J-V特性曲线
Figure 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.
图 7 蓝宝石衬底准垂直型GaN SBD的击穿电压与导通电阻的对比图(BFOM单位为MW/cm2)
Figure 7. Bench marking the break down voltage and on-resistance of quasi-vertical GaN SBDs on sapphire substrates.
表 1 GaN SBD漏电模型及应用范围
Table 1. Summary of GaN SBD leakage current simulation models.
模型种类 物理模型 应用范围 状态模型 能带变窄模型 不限 不完全电离模型 较高掺杂 隧穿模型 陷阱辅助隧穿模型 缺陷相关材料 非局域隧穿模型 较高电场 肖特基隧穿模型 不限 复合模型 Auger复合模型 不限 SRH复合模型 不限
迁移率模型Albrecht 模型 较低电场 GaN饱和迁移率模型 较高电场 平行电场迁移率模型 不限 电离模型 Selberherr电离模型 不限 
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表 2 准垂直型GaN SBD多级阶梯型场板结构的主要电学参数
Table 2. Key electrical parameters of quasi-vertical GaN SBDs with multi-stepped FP.
阶梯型场板结构 击穿电压/V 开启电压/V 导通电阻/(mΩ·cm2) BFOM/ (MW·cm–2) 0阶场板 552.4 0.42 4.4 69.35 1阶场板 582.7 0.42 4.6 73.81 2阶场板 584.2 0.42 5.1 66.92 3阶场板 585.1 0.43 5.8 59.02 4阶场板 586.4 0.44 6.5 52.90
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