陳宏佑 王志忠 黃福平 楚春雙 張勇輝 張紫輝

摘要 通過TCAD仿真模擬計算，系統(tǒng)地研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對GaN基結(jié)勢壘肖特基二極管（Junction Barrier Schottky Diode）電學特性的影響。JBS二極管在肖特基接觸下方以若干個p型場環(huán)取代N?-GaN漂移區(qū)，通過電荷耦合效應(yīng)降低肖特基接觸位置的電場強度，減弱鏡像力的影響以達到減小反向漏電和提高擊穿電壓的效果。研究表明，P-GaN場環(huán)的厚度、摻雜濃度及場環(huán)的間隔均對器件的反向擊穿電壓有明顯影響。例如，采用適當厚度的場環(huán)可以顯著降低反偏狀態(tài)下肖特基接觸位置下方的電場強度，同時不會產(chǎn)生過大的pn結(jié)漏電，最優(yōu)厚度300 nm的場環(huán)可以實現(xiàn)1 120 V的擊穿電壓。同時，由于陽極金屬分別與N--GaN和P-GaN形成肖特基接觸和歐姆接觸，JBS二極管可以實現(xiàn)低開啟電壓。當pn開啟后，P-GaN內(nèi)空穴注入漂移區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，有助于提高正向電流密度。

關(guān) 鍵 詞 擊穿電壓；漏電流；結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管；電荷耦合；器件優(yōu)化

中圖分類號 TN312.8? ? ?文獻標志碼 A

Effects of multi field ring edge termination on the breakdown voltage and forward current for GaN- based junction barrier Schottky diode

CHEN 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 Laboratory of Electronic Materials and Devices of Tianjin， Tianjin 300401， China）

Abstract We systematically investigate the impact of different structural parameters on the electrical characteristic for GaN-based junction barrier schottky （JBS） diode with the help of TCAD simulation tools. The N?-GaN drift region under the Schottky contact is partly replaced by several p-type GaN field rings， so the electric field magnitude at/near the Schottky 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 be obtained. According to our results， the thickness， p-type doping concentration， and the spacing of the P-GaN field ring have a significant impact on the reverse blocking characteristics for the studied devices. In the reverse bias state， the electric 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 words breakdown voltage; leakage current; junction barrier Schottky （JBS） diode; charge-coupling effect; device optimization

0 引言

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，因其具有臨界電場大，電子飽和漂移速度和熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，成為了當下電力電子器件研究的熱門方向并已在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]；肖特基勢壘二極管（SBD）為單極性器件，具有開啟電壓低，開關(guān)速度快等優(yōu)點。目前，GaN基SBD器件主要分為兩類，一類為生長在異質(zhì)襯底，如Si、SiC上的水平結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)SBD，另一類為生長在GaN自支撐襯底上的垂直結(jié)構(gòu)SBD。得益于Ⅲ族氮化物具有自發(fā)極化和壓電極化的特性，無需故意摻雜即可在GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)處形成一層高密度的二維電子氣（2DEG），可實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)[3-4]。但異質(zhì)結(jié)SBD大多生長在異質(zhì)襯底上，材料生長時的晶格失配現(xiàn)象會導(dǎo)致反向漏電流增加[5-6]；同時，表面態(tài)的存在會導(dǎo)致電流崩塌現(xiàn)象和動態(tài)電阻上升[7-9]。垂直結(jié)構(gòu)SBD的漂移區(qū)可以很好地承擔電壓，形成耗盡區(qū)，并且由于電流在器件內(nèi)縱向流動，所以受表面態(tài)的影響較小。

盡管SBD擁有低開啟電壓和快速開關(guān)等優(yōu)點，但其較低的擊穿電壓已不能滿足當前電子行業(yè)發(fā)展的需要。結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管在擁有SBD優(yōu)點[10-11]的基礎(chǔ)上，在肖特基接觸下方設(shè)置若干個高摻雜的P-GaN場環(huán)，如圖1a）所示。當對器件加反向偏壓時，耗盡區(qū)隨著電壓的增大不斷擴大，進而聯(lián)結(jié)在一起，使強電場不出現(xiàn)在肖特基電極附近[12]。對于金半接觸位置的漂移區(qū)，兩側(cè)的P-GaN可以對N?-GaN漂移區(qū)形成二維耗盡，通過電荷耦合效應(yīng)屏蔽強電場，避免鏡像力導(dǎo)致的肖特基勢壘降低現(xiàn)象[13-15]。肖特基電極下方的P-GaN與N?-GaN漂移區(qū)形成了若干個pn結(jié)，在反向偏置時，pn結(jié)會產(chǎn)生漏電。P-GaN場環(huán)各項參數(shù)，如場環(huán)的厚度、摻雜濃度則對電荷耦合和pn結(jié)漏電有很大的影響，器件設(shè)計時選擇適當?shù)膮?shù)便尤為重要。本文詳細研究了JBS二極管P-GaN場環(huán)的厚度、間隔、摻雜濃度以及場環(huán)寬度對器件反向擊穿電壓，反向漏電，電場分布及正向特性的影響。

1 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文所研究的JBS二極管結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，參考器件為平面肖特基勢壘二極管，如圖1b）所示。器件直徑為66 μm；漂移區(qū)厚度為9 μm，非故意n型摻雜濃度為2×1016 /cm3；GaN襯底的Si摻雜濃度為5×1018 /cm3，陰極金屬與襯底形成歐姆接觸。P-GaN場環(huán)的寬度，厚度，間隔分別用[Qp，Tp，Wn]來表示。器件上方金屬與N?-GaN漂移區(qū)形成肖特基接觸。我們采用半導(dǎo)體器件模擬軟件（APSYS）進行仿真計算，考慮的物理模型包括連續(xù)性方程，泊松方程，漂移擴散模型和碰撞電離模型等。本論文所考慮的物理模型已經(jīng)過實驗校準，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果具有高的一致性[16]。GaN材料的電子和空穴的碰撞電離系數(shù)[（αn和αp）]用Chynoweth方程式表示，如方程式（1）和（2）所示[17]：

式中E為漂移區(qū)內(nèi)的電場強度。GaN材料的臨界電場設(shè)置為3 MV/cm[18]。碰撞電離系數(shù)定義了每單位距離上由單個電子或空穴產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)量。為了方便下文表述，我們將所研究器件的結(jié)構(gòu)信息列在表1。圖1c）為場環(huán)厚度為500 nm，寬度為2 μm，間隔為2 μm，P-GaN摻雜濃度為5×1017/cm3的JBS二極管與平面SBD的反向電流-電壓（I-V）特性曲線，證明了JBS二極管可有效提高SBD的擊穿電壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 P-GaN場環(huán)厚度對GaN基JBS二極管反向擊穿特性的影響

為了研究P-GaN場環(huán)厚度與器件反向擊穿電壓的關(guān)系，設(shè)計了器件A1～A5，場環(huán)厚度為200 nm到600 nm，其結(jié)構(gòu)的詳細參數(shù)見表1。不同P-GaN場環(huán)厚度的器件的反向擊穿特性曲線如圖2a）所示，可以發(fā)現(xiàn)當場環(huán)厚度大于300 nm后，擊穿電壓隨著P-GaN場環(huán)厚度的增加而減小。圖2b）展示了器件A1～A5沿場環(huán)間隔中線的電場分布，虛線所示的是平面SBD垂直方向的電場分布。在電場分布圖中可以看到，場環(huán)厚度為Tp=200 nm的器件A1在肖特基接觸位置下方的電場強度僅略低于同位置平面SBD的電場強度。由于P-GaN場環(huán)的厚度不足，N?-GaN漂移區(qū)無法在二維空間內(nèi)有效耗盡，使耗盡區(qū)域的尺寸明顯縮小，因此會在肖特基接觸下方有最強電場。在圖2b）的插圖中，選擇性展示了場環(huán)厚度為300 nm與600 nm的器件A1和A5 的N?-GaN漂移區(qū)電勢分布，可以發(fā)現(xiàn)器件A5的電場耦合效應(yīng)更加顯著，因此如圖2b）所示，當P-GaN場環(huán)厚度逐漸增加時，電荷耦合效應(yīng)增強，肖特基接觸下方電場強度逐漸減小。圖2c）為肖特基接觸下方水平方向電場強度分布圖，同樣證實了這一結(jié)論。然而，本文所提出的不同場環(huán)厚度的JBS二極管的反向擊穿電壓并沒有隨著場環(huán)厚度的增加、電荷耦合的增強而提高。圖2d）展示了器件A1～A5水平方向肖特基接觸下方反向漏電流的分布，如圖所示，在電荷耦合效應(yīng)的作用下，N?-GaN漂移區(qū)的漏電流隨著場環(huán)厚度的增加而減??；而隨著場環(huán)厚度的增加，pn結(jié)的面積增大，導(dǎo)致P-GaN位置漏電流增大。在器件A1～A5中，以反向漏電達到0.01 A/cm2定義為器件擊穿判斷標準，擊穿電壓最理想的是場環(huán)厚度Tp = 300 nm的器件A2，為1 120 V。

2.2 P-GaN場環(huán)間隔對GaN基JBS二極管反向擊穿特性的影響

在本節(jié)，研究了場環(huán)的間隔對JBS二極管的電場分布、漏電流、耗盡區(qū)及擊穿電壓的影響。圖3a）顯示了不同P-GaN場環(huán)間隔的器件的反向I-V特性曲線。P-GaN場環(huán)間隔變化從1 μm到4 μm，即表1中的器件B1～B4。研究發(fā)現(xiàn)，隨著場環(huán)間距的減小，擊穿電壓增大。圖3b）展示了器件B1～B4沿場環(huán)間隔中線的一維電場分布和平面SBD沿垂直方向的電場分布。隨著場環(huán)間隔的減小，肖特基接觸下方電場強度逐漸降低。電場強度的降低應(yīng)歸因于漂移區(qū)良好的二維耗盡效應(yīng)；P-GaN場環(huán)間隔為4 μm的器件B4在肖特基接觸下的電場強度僅略低于平面SBD在同位置的電場強度，這意味著由于場環(huán)間的間隔距離過大，擁有4 μm場環(huán)間隔的器件N?-GaN漂移區(qū)未能實現(xiàn)有效的二維耗盡，幾乎沒有產(chǎn)生電荷耦合效應(yīng)。當器件的場環(huán)間隔縮小到3 μm時，肖特基接觸下方電場強度開始降低，直到間隔為1 μm時，電場強度降低到最小。圖3b）的插圖選擇性地展示了器件B2和B4的電勢分布圖，這進一步說明了當場環(huán)間隔減小時，N?-GaN漂移區(qū)具有良好的二維耗盡。圖3c）顯示了器件B1、B2、B4在肖特基接觸下方水平方向電場分布，從中也可看出，當P-GaN場環(huán)間隔增大時，電荷耦合效應(yīng)變?nèi)酰ぬ鼗佑|下的強電場不能被有效屏蔽，這與上述結(jié)論一致。圖3d）顯示了器件B1、B2、B4肖特基接觸水平方向反向漏電流分布，當場環(huán)間隔較小時，更強的電荷耦合效應(yīng)將將電場推向更靠下的N?-GaN漂移區(qū)內(nèi)，使P-GaN拐角處電勢線分布更均勻，故在此位置的局部電場強度更小，漏電流更小。綜上，器件B1～B4的反向擊穿電壓隨場環(huán)間距的減小而提高，擊穿電壓最高的器件為場環(huán)間距為1 μm 的器件B1，為1 115 V。

2.3 P-GaN場環(huán)摻雜濃度對GaN基JBS二極管反向擊穿特性的影響

接下來，研究了p型GaN場環(huán)的摻雜濃度對JBS二極管的反向擊穿電壓的影響。我們設(shè)計了器件C1～C5，其p摻雜濃度的范圍從1×1017/cm3到1×1018/cm3，在表1中分別為C1～C5。圖4a）顯示了不同P-GaN場環(huán)摻雜濃度對器件反向擊穿特性的影響。p型GaN是由Mg+摻雜形成的，Mg+重摻雜使P-GaN形成一個等勢體，以此可以二維耗盡N?-GaN漂移區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)擊穿電壓不隨場環(huán)的摻雜濃度線性變化，并且器件C2的擊穿電壓最高。如圖4b）所示，器件C1～C5沿場環(huán)間隔中線的電場強度隨著場環(huán)p摻雜濃度提高而下降，證明N?-GaN電荷耦合和二維耗盡效應(yīng)隨場環(huán)摻雜濃度提高更明顯。P-GaN摻雜濃度為1×1017/cm3的器件C1在肖特基接觸位置下方的電場強度僅略低于同位置平面SBD的電場強度，證明了低摻雜濃度的場環(huán)不足以形成足夠?qū)挼暮谋M區(qū)。圖4b）內(nèi)插圖所示為p摻雜濃度為3×1017/cm3和1×1018/cm3的器件C2、C5的局部電勢分布，可見場環(huán)摻雜濃度高的器件可以更好地對N-GaN實現(xiàn)二維耗盡。同時由圖4c）可以觀察到，器件C1在P-GaN內(nèi)的電場強度也要高于另外3個器件，這是由于摻雜p型濃度低，場環(huán)無法形成等勢體，在內(nèi)部產(chǎn)生了電壓降導(dǎo)致的。當場環(huán)摻雜濃度足夠高時，器件C2～C5的P-GaN內(nèi)不再有強電場，且漂移區(qū)電場強度也在電荷耦合效應(yīng)的作用下顯著降低。場環(huán)和漂移區(qū)內(nèi)均有較大的電場強度也導(dǎo)致了器件C1的提前擊穿。場環(huán)摻雜濃度更高的器件C2～C5的反向擊穿電壓并非隨著摻雜濃度的提高而升高。如圖4d）所示，當P-GaN摻雜濃度提高時，雖然更好的二維耗盡效應(yīng)使漂移區(qū)漏電流顯著降低，但pn結(jié)反偏時的漏電流會有提高。當P-GaN場環(huán)摻雜濃度為3×1017/cm3時，反向擊穿電壓最為理想，為1 133 V。

2.4 P-GaN場環(huán)寬度對GaN基JBS二極管反向擊穿特性的影響

器件D1～D4的P-GaN場環(huán)寬度為1～4 μm，場環(huán)的厚度、間隔和摻雜濃度均相等且保持不變。由圖5a）所示，器件D1～D4的反向擊穿電壓并沒有明顯差別。由上文分析可得，N?-GaN漂移區(qū)的二維耗盡效應(yīng)決定了電荷耦合的強度，改變P-GaN場環(huán)寬度并不會對二維耗盡區(qū)寬度造成影響。如圖5b）和圖5c）所示，器件D1～D4肖特基接觸位置下方的電場強度也幾乎相等，這也證明了這個結(jié)論。圖5d）展示了器件D1～D4的二維漏電流示意圖，場環(huán)寬度較大的器件P-GaN漏電流卻較小，這由于器件處于反向偏置時，器件內(nèi)部的最強電場出現(xiàn)在P-GaN場環(huán)的拐角處，場環(huán)寬度不足時，左右兩處拐角的電場在較大反向偏壓會更容易耦合到一起，形成局部強電場，從而使漏電流增大。P-GaN場環(huán)寬度較大時，pn結(jié)漏電面積則更大，最終導(dǎo)致不同場環(huán)寬度的器件反向漏電流相當。

2.5 P-GaN場環(huán)對GaN基JBS二極管正向特性的影響

由于JBS二極管P-GaN場環(huán)會與N?-GaN漂移區(qū)形成pn結(jié)，當對器件加正向偏壓時，pn結(jié)將會在達到一定電壓時開啟。圖6a）展示了器件A2與平面SBD的正向I-V曲線。在正向偏壓較小時，由于有P-GaN場環(huán)的存在，僅N-GaN參與導(dǎo)電，JBS二極管的電流密度要低于平面SBD。當繼續(xù)加正向偏壓至7 V時，pn結(jié)開始導(dǎo)通，空穴注入導(dǎo)致的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻率降低，電流密度增大。圖6b）與圖6c）分別展示了器件A2在Vf=6 V和Vf=8 V時的電流分布圖。圖7a）所示為器件A1～A5的正向I-V曲線圖，不同場環(huán)厚度對pn結(jié)開啟前的電流密度幾乎沒有影響。較厚的場環(huán)可以提供的更多的空穴注入，使pn結(jié)越早開啟且開啟后電流密度越大。擁有不同P-GaN場環(huán)間隔的器件B1～B5的正向I-V曲線如圖7b）所示，由于器件總尺寸不變，故場環(huán)間隔越小，N-GaN區(qū)域的占比則越小，則在pn結(jié)開啟前參與導(dǎo)電的區(qū)域越小，所以電流密度也就越低。圖7d）為不同P-GaN場環(huán)寬度的JBS二極管正向I-V特性曲線。與不同場環(huán)間隔的器件類似，場環(huán)寬度的增大導(dǎo)致N-GaN占器件總尺寸減小，pn結(jié)開啟前電流密度越小。P-GaN占比越大，開啟越早且正向電流密度越大。不同P-GaN場環(huán)摻雜濃度的JBS正向I-V特性曲線如圖7c）所示。器件正偏時，P-GaN摻雜濃度越高，則可以提供更多的空穴注入，pn結(jié)開啟的電壓也越低。

2.6 器件參數(shù)優(yōu)化

在選擇制備器件所用參數(shù)時，需權(quán)衡考慮反向特性與正向特性。更小的P-GaN場環(huán)間隔雖然可以提高擊穿電壓，但在器件正偏且pn結(jié)未開啟時，電流密度較低；場環(huán)寬度較大時同樣表現(xiàn)出這樣的特性，故場環(huán)寬度和間隔選擇2 μm最合適。場環(huán)的p型摻雜濃度對反向擊穿電壓的影響較大，而當摻雜濃度大于等于3×1017/cm3時，對器件正向特性的影響并不大。場環(huán)厚度較厚的器件會對反向特性有不利影響，但影響程度比摻雜濃度對擊穿電壓的影響小；而較厚的場環(huán)正向時可以實現(xiàn)pn結(jié)更早開啟。綜上所述，選擇場環(huán)寬度，間隔均為2 μm，場環(huán)摻雜濃度為3×1017/cm3，場環(huán)厚度為500 nm的器件C2可實現(xiàn)對器件正向與反向特性的折中考慮。圖8所示為經(jīng)優(yōu)化后的器件C2的反向與正向I-V曲線。

3 結(jié)論

本文詳細研究了GaN基JBS二極管P-GaN場環(huán)各參數(shù)對器件反向擊穿電壓和正向?qū)ㄌ匦缘挠绊?。P-GaN場環(huán)的厚度、摻雜濃度和場環(huán)之間的間隔均會影響器件的反向漏電，并對擊穿電壓產(chǎn)生影響。可以通過適當減小場環(huán)間隔，選擇合適的摻雜濃度和場環(huán)厚度增強電荷耦合效應(yīng)，減小N?-GaN漂移區(qū)漏電強度，提高擊穿電壓。器件正偏時，P-GaN場環(huán)內(nèi)空穴注入N?-GaN漂移區(qū)產(chǎn)生的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可增大正向電流密度，因此場環(huán)厚度、摻雜濃度、間隔和寬度均會對影響pn結(jié)開啟的電壓。經(jīng)優(yōu)化的JBS二極管權(quán)衡了反向擊穿電壓和正向電流密度，為JBS二極管的設(shè)計與制備提供重要參考。

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