一種陽極連接P型埋層的AlGaN/GaN肖特基二極管

孫友磊，唐健翔，王 穎，黃意飛，王文舉

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

最近，AlGaN/GaN肖特基二極管(SBD)受到了越來越多的關(guān)注。該器件具有關(guān)斷速度快、擊穿電壓高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，因而被業(yè)界廣泛地認(rèn)為是下一代功率器件的候選者[1-6]。但是，目前對(duì)AlGaN/GaN SBD器件的研究并不是很成熟，該器件仍然存在著眾多尚未解決的問題，例如開啟電壓高、陽極泄漏電流嚴(yán)重、擊穿電壓低等問題。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)做了一系列研究，例如為了降低AlGaN/GaN SBD的開啟電壓，采用刻蝕陽極勢(shì)壘層的技術(shù)[6]和選擇性Si擴(kuò)散的方法[7]等。為了抑制二極管的陽極泄漏電流，研究出雙金屬陽極[8]、C摻雜背勢(shì)壘層[9-10]和柵極終端(GET)[11-12]等結(jié)構(gòu)。為了調(diào)制二極管表面的電場(chǎng)分布，橫向陽極場(chǎng)板結(jié)構(gòu)[13]以及陽極垂直場(chǎng)板結(jié)構(gòu)[14]等都起到了很好的作用。盡管這些技術(shù)對(duì)AlGaN/GaN肖特基二極管的性能有一定的改善作用，但是該器件所存在的陽極泄漏嚴(yán)重、擊穿電壓低等問題依然存在。因此，本文針對(duì)二極管陽極泄露嚴(yán)重的問題在傳統(tǒng)的GaN GET SBD器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)結(jié)構(gòu) 陽極連接P型埋層并結(jié)合場(chǎng)板的AlGaN/GaN肖特基勢(shì)壘二極管結(jié)構(gòu) AlGaN/GaN SBD with the anode connected P-buried layer combined with field plates(AC-PBL FPs SBD)。在該結(jié)構(gòu)的緩沖層中生長(zhǎng)了P型GaN埋層并與二極管的陽極相接觸，同時(shí)在二極管的陽極和陰極兩處都加上場(chǎng)板。在二極管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，P型埋層可以有效地阻擋從陽極肖特基結(jié)泄漏的電子，進(jìn)而降低二極管的泄漏電流。同時(shí)，陽極肖特基結(jié)處、P型埋層、GaN溝道層、陰極歐姆接觸之間構(gòu)成一個(gè)PiN二極管，使得P型埋層可以有效地抑制陽極漏電，并輔助耗盡器件溝道中的二維電子氣(2DEG)，擴(kuò)展器件的空間電荷區(qū)，達(dá)到提高器件的擊穿電壓的效果。而在二極管開啟時(shí)，由于P型埋層距離溝道較遠(yuǎn)，因而對(duì)器件的導(dǎo)通特性影響較小，所以器件可以獲得較大的Baliga優(yōu)值。

1 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 器件結(jié)構(gòu)

圖1分別是GET SBD、AC-PBL FPs SBD結(jié)構(gòu)示意圖。

這兩個(gè)器件有著相同的器件尺寸，圖1(a)GET SBD器件從下往上依次是GaN底層緩沖層、GaN中間緩沖層、非故意摻雜GaN溝道層和AlGaN勢(shì)壘層。鈍化層和陽極的終端介質(zhì)層都選用Si3N4材料，厚度分別是100 nm和20 nm[15]。在仿真中沒有加入襯底，因此在器件結(jié)構(gòu)中也沒有給出器件的襯底。AlGaN勢(shì)壘層中的Al組分設(shè)定為0.25。為了獲得較低的二極管開啟電壓，器件陽極區(qū)域的鈍化層和勢(shì)壘層完全刻蝕，然后在刻蝕區(qū)域積淀肖特基金屬和GET部分。在器件生長(zhǎng)過程中會(huì)不可避免的引入施主離子，所以在仿真過程中所有的GaN層中都設(shè)定了1×1016cm-3濃度的施主離子來模仿背景載流子。這些背景載流子的存在將會(huì)增大AlGaN/GaN肖特基二極管的緩沖層漏電。因此，本研究在仿真中把器件的緩沖層了加入了受主陷阱。中間緩沖層的受主陷阱濃度設(shè)定為2×1016cm-3，底層緩沖層設(shè)定為4×1018cm-3[16]。這些受主陷阱既可以中和背景載流子又可以有效地抑制器件的緩沖層漏電；而將GET SBD器件的緩沖層分為兩層[10]，則是為了讓具有高濃度陷阱的底層緩沖層遠(yuǎn)離溝道層，從而降低對(duì)二極管正向?qū)娮璧挠绊?。與GET SBD器件相比，AC-PBL FPs SBD器件的緩沖層受主陷阱濃度都設(shè)置為2×1016cm-3，此外在中間緩沖層里生長(zhǎng)了一層的P型GaN埋層并于肖特基陽極相連接，同時(shí)在二極管的陽極和陰極兩處都加上了場(chǎng)板，剩余器件參數(shù)都和GET SBD器件一樣，如表1所示。

表1 器件主要參數(shù)

1.2 工作原理

AC-PBL FPs SBD器件主要提升GET SBD器件的關(guān)斷特性，其原理為當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，二極管的陽極會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)集中效應(yīng)，使得陽極肖特基結(jié)處的漏電增大，在陽極處發(fā)生雪崩擊穿，導(dǎo)致器件被提前擊穿，耐壓得不到提高。而在緩沖層里加入P型埋層并與陽極短接之后，陽極肖特基接觸、P型埋層、溝道層、陰極歐姆接觸就構(gòu)成可一個(gè)反向偏置的PiN二極管，陽極的泄漏電流會(huì)被P型埋層有效抑制。此外，P型埋層還可以輔助耗盡溝道中的2DEG，使得器件的空間電荷區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展。當(dāng)P型埋層中的空穴被耗盡后可以留下不可移動(dòng)的負(fù)電荷，這些電荷可以進(jìn)一步調(diào)制器件的表面電場(chǎng)，進(jìn)而提高擊穿電壓。而在陽極和陰極處都加上場(chǎng)板結(jié)后，可以有效地降低陽極和陰極處的電場(chǎng)峰值，配合P型埋層結(jié)構(gòu)，可以使得擊穿電壓得到更大的提高。

2 電學(xué)特性仿真與分析

本文所有的電學(xué)特性仿真與結(jié)果分析均是用Sentaurus TCAD仿真軟件和Origin數(shù)據(jù)處理軟件完成。

2.1 導(dǎo)通特性

圖2是GET SBD器件和AC-PBL FPs SBD器件在導(dǎo)通時(shí)是陽極電流特性曲線。

從圖2可以看出，AC-PBL FPs SBD器件的開啟電壓VT為0.36 V，和GET SBD器件的0.53 V相比，開啟電壓降低了0.17 V。這主要是因?yàn)樵贏C-PBL FPs SBD器件中，底層緩沖層的受主陷阱濃度被降低到2×1016cm-3，因此器件的開啟電壓得到了降低。但是器件的正向?qū)娮璨]有相應(yīng)地減小，反而略有增加，原因是在AC-PBL FPs SBD器件中，高濃度的P型GaN埋層距離溝道太近，在正向?qū)〞r(shí)對(duì)溝道中的電子產(chǎn)生了影響作用。從圖上可以看出，AC-PBL FPs SBD器件的正向?qū)娮鑂on為5.78 Ω·mm，比GET SBD器件的導(dǎo)通電阻大了0.16 Ω·mm，因而正向特性略有犧牲，但是開啟電壓得到了降低。

2.2 擊穿電場(chǎng)分布特性

圖3是GET SBD和AC-PBL FPs SBD器件在擊穿時(shí)表面的電場(chǎng)分布圖。為了進(jìn)一步驗(yàn)證是P型埋層對(duì)提升器件的耐壓起了主導(dǎo)性作用，在圖3中還增加了有場(chǎng)板的GET SBD(GET FPs SBD)器件的表面電場(chǎng)擊穿特性曲線圖。

從圖中可以看出，在器件擊穿時(shí)，GET SBD器件的表面電場(chǎng)主要集中在二極管的陽極位置，當(dāng)器件達(dá)到213 V時(shí)，器件的陽極擊穿電場(chǎng)數(shù)值達(dá)到了3.3 MV·cm-1，過了陽極之后，GET SBD器件的表面電場(chǎng)開始下降直到趨近于零。所以在器件的漂移區(qū)，器件表面的電場(chǎng)值很低，因而器件的擊穿電壓很低。究其主要原因是因?yàn)殛枠O的泄漏電流比較大，導(dǎo)致溝道中的2DEG不能被完全耗盡，所以該器件的空間電荷區(qū)面積很小，能承擔(dān)的耐壓就很小。

在GET FPs SBD器件中，因?yàn)橛袌?chǎng)板的作用，所以器件陽極右側(cè)有多了表面電場(chǎng)峰值，而器件的整個(gè)漂移區(qū)電場(chǎng)值也有了一定的提高，擊穿電壓也提升到了320 V。但是與理論擊穿電壓相比，該器件的耐壓還相差甚遠(yuǎn)，主要原因和GET SBD器件一樣，陽極泄漏導(dǎo)致溝道中的2DEG不能夠完全耗盡，所以擊穿電壓得不到提升。

在AC-PBL FPs SBD器件中，不僅在陽極有了電場(chǎng)峰值，在陰極也出現(xiàn)了電場(chǎng)峰值，這表明P型埋層的加入抑制了器件陽極的泄漏電流，進(jìn)而輔助耗盡了器件溝道的2DEG，所以空間電荷區(qū)得以向陰極區(qū)域擴(kuò)展，進(jìn)而在陰極處也產(chǎn)生了電場(chǎng)峰值。而且在漂移區(qū)3 μm的位置也出現(xiàn)了微小的電場(chǎng)峰值，這主要是P型埋層中的負(fù)電荷所引起，P型GaN埋層中的負(fù)電荷也有調(diào)制器件表面電場(chǎng)的作用，所以該器件的整個(gè)漂移區(qū)電場(chǎng)分布都得到了抬高，因此器件的擊穿電壓得到了提高。另外，有了場(chǎng)板的作用，使器件的陽極電場(chǎng)得到了降低，進(jìn)而陽極泄漏就得到了降低，同時(shí)在陰極處又引出了一個(gè)相同峰值的電場(chǎng)，所以器件的最終擊穿電壓被提高到733 V，與GET SBD器件相比，耐壓提高了約3.4倍。

2.3 電勢(shì)分布

圖4是GET SBD器件和AC-PBL FPs SBD電勢(shì)分布圖。

對(duì)比兩個(gè)器件的電勢(shì)分布很容易看出，在AC-PBL FPs SBD器件中電勢(shì)線分布的非常均勻，與GET SBD器件相比，因?yàn)殛枠O有場(chǎng)板的存在，調(diào)制了陽極的電場(chǎng)集中效應(yīng)，所以電勢(shì)線分布也不再集中，反而相對(duì)均勻。從漂移區(qū)的中間位置到陰極區(qū)域在原來的GET SBD器件中電勢(shì)分布的非常稀疏，這表明這段區(qū)域中溝道電子沒有被耗盡，沒有產(chǎn)生空間電荷區(qū)。加上P埋層之后，P埋層輔助耗盡了溝道的電子，因而空間電荷區(qū)得以向陰極處擴(kuò)展，因此器件的電勢(shì)線分布也變得非常密集且均勻，所以器件的耐壓得到了提高。

2.4 電流密度分布

圖5是GET SBD和AC-PBL FPs SBD器件在擊穿時(shí)，溝道中電子濃度的分布情況。從圖中可以看出，相比于GET SBD器件，AC-PBL FPs SBD器件的溝道中電子已經(jīng)幾乎被耗盡，這就說明P埋層有抑制陽極漏電和輔助耗盡了溝道的2DEG的作用，使得器件的空間電荷區(qū)擴(kuò)展到陰極區(qū)域，因而器件的擊穿電壓得以提高。

另外，當(dāng)有P埋層存在時(shí)，器件的緩沖層中也有較高濃度的電子，這表明部分從陽極泄漏的電子被緩沖層所捕獲，進(jìn)而抑制了二極管的陽極泄漏電流。而在GET SBD器件的緩沖層中，電子濃度相對(duì)較低，這就表示在GET SBD器件中具有高濃度受主陷阱的緩沖層沒有充分地發(fā)揮抑制陽極漏電的作用。而P埋層的存在更有助于緩沖層抑制器件陽極泄漏的電子，進(jìn)而提高器件的耐壓。

3 參數(shù)優(yōu)化

圖6是討論了P埋層的長(zhǎng)度Ld以及P埋層到溝道層的距離Ts對(duì)器件擊穿電壓的影響。從圖中可以看出無論Ts怎么變化，器件的擊穿電壓都會(huì)隨著Ld的增長(zhǎng)而增大。因?yàn)楫?dāng)Ld增長(zhǎng)時(shí)，P埋層對(duì)陽極的泄漏抑制作用和對(duì)溝道電子的輔助耗盡作用就越強(qiáng)，所以器件的耗盡區(qū)就越長(zhǎng)，因而器件的擊穿電壓就會(huì)越大。但是Ld的長(zhǎng)度也不是越長(zhǎng)越好，因?yàn)閺纳厦娴碾妶?chǎng)分布可知，器件在陰極的電場(chǎng)峰值最高，如果Ld的長(zhǎng)度不斷增長(zhǎng)，則會(huì)使得二極管陰極處的電場(chǎng)繼續(xù)升高，繼而導(dǎo)致器件提前在陰極處被擊穿。因而P埋層的最終長(zhǎng)度還需結(jié)合陰極處的電場(chǎng)分布綜合考慮。

圖7就是討論了Ts為0.2 μm時(shí)，隨著Ld的增長(zhǎng)，器件表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。從圖上可以看出當(dāng)Ld從1 μm逐漸增加到3.5 μm時(shí)，器件的表面電場(chǎng)逐漸被抬高，尤其是陰極區(qū)域，電場(chǎng)曲線下的面積逐漸增大，這就表示器件的擊穿電壓隨著Ld的增長(zhǎng)而增大，與圖6中的分析結(jié)果一致。但是觀察陰極處的電場(chǎng)可知，當(dāng)Ld的長(zhǎng)度達(dá)到3 μm時(shí)，器件在陰極處的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了臨界擊穿電場(chǎng)，因而當(dāng)Ld超過3 μm時(shí)，再增加Ld的長(zhǎng)度是沒有意義的，因而對(duì)Ld的優(yōu)化結(jié)果最終確定為3 μm。

另外，在圖6中還展現(xiàn)了Ts與器件擊穿電壓之間的關(guān)系，但是從圖中可以看出，當(dāng)Ts從0.05 μm增加到0.3 μm時(shí)，器件的擊穿電壓變化并不是很大。在Ld為3 μm時(shí)，Ts從0.05～0.3 μm所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓依次為729.6 V、723.2 V、723.5 V、732.7 V、723.2 V和717.9 V，器件的擊穿電壓變化區(qū)間在15 V左右，在Ts為0.2 μm時(shí)，擊穿電壓最高為732.7 V。但是Ts的大小還應(yīng)該考慮對(duì)器件正向特性的影響之后才能確定。

圖8和圖9分別是Ld為3 μm時(shí)，參數(shù)Ts與器件的導(dǎo)通電阻、特征導(dǎo)通電阻、擊穿電壓以及器件的Baliga優(yōu)值之間的變化關(guān)系。從圖8可知，器件的導(dǎo)通電阻隨著Ts的增大而減小，這證明P埋層距離溝道很近的情況下，會(huì)對(duì)溝道中的電子產(chǎn)生影響，導(dǎo)致在正向?qū)〞r(shí)，器件的導(dǎo)通電阻增大。在0.05 ～0.2 μm的區(qū)間，器件的導(dǎo)通電阻隨Ts的變化，下降的幅度很大，而在Ts超過0.2 μm后，器件的導(dǎo)通電阻下降幅度趨向平緩，這表明在P埋層距離溝道的距離在超過0.2 μm后，對(duì)溝道中電子的影響就變得很微小。這個(gè)趨勢(shì)在特征導(dǎo)通電阻中表現(xiàn)的更明顯，圖8中Ts在0.2 μm、0.25 μm和0.3 μm時(shí)器件的特征導(dǎo)通電阻幾乎沒有變化，分別是5.78 Ω·mm、5.77 Ω·mm和5.76 Ω·mm，但是還不能確定哪個(gè)值才是最優(yōu)值。

從圖9中可以看出，當(dāng)Ts的值發(fā)生變化時(shí)，器件的擊穿電壓和器件的優(yōu)值都發(fā)生了對(duì)應(yīng)的變化，總體變化趨勢(shì)是先降低后增高然后再降低，因此器件的擊穿電壓和優(yōu)值都出現(xiàn)了一個(gè)最大值點(diǎn)。從圖中可看到這個(gè)最值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Ts值為0.2 μm，此時(shí)的器件擊穿電壓VBK為733 V，而對(duì)應(yīng)的優(yōu)值BFOM為1.62 GW·cm-2。因此參數(shù)Ld和Ts最終優(yōu)化值分別是3 μm和0.2 μm。在這兩個(gè)參數(shù)下，由圖3～圖10可知器件的開啟電壓VT為0.36 V。綜上，可得出與GET SBD器件相比，P埋層GaN肖特基二極管在略微增加了導(dǎo)通電阻的前提下，大幅度地提升了器件的擊穿電壓，同時(shí)還降低了器件的開啟電壓。

4 結(jié)束語

本文提出了一種AlGaN/GaN SBD器件新結(jié)構(gòu)AC-PBL FPs SBD。該結(jié)構(gòu)主要是為了改善傳統(tǒng)GET SBD器件存在的陽極漏電嚴(yán)重的問題，進(jìn)而提高器件的擊穿電壓。當(dāng)器件處于反向偏置時(shí)，肖特基結(jié)處、P型埋層、溝道層和歐姆接觸形成一個(gè)反向偏置的PiN二極管，可以有效抑制陽極漏電，同時(shí)輔助耗盡溝道中的2DEG。此外P型埋層中的負(fù)電荷，以及陽極和陰極處加的場(chǎng)板，可以有效地調(diào)節(jié)漂移區(qū)和兩個(gè)電極上的電場(chǎng)，使得器件的表面電場(chǎng)得以抬高，分布的更加均勻，從而提高器件的耐壓(從213 V提高到733 V)。而器件的正向特性并未因?yàn)榧恿薖埋層而惡化，正向?qū)娮鑳H僅增大了0.16 Ω·mm，此外，由于將器件的底層緩沖層中受主陷阱的濃度降低了，器件的開啟電壓得到了降低，從0.53 V降低到0.36 V。因此，綜合擊穿電壓，器件的Baliga優(yōu)值從0.14 GW·cm-2提高到1.62 GW·cm-2。