遠(yuǎn)離溝道的P型埋層對(duì)AlGaN/GaN MISFET器件的擊穿增強(qiáng)

許潔 章徐國

上海電力大學(xué)，中國·上海 200090

1 引言

在電力電子領(lǐng)域，基于AlGaN/GaN 極化效應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于高二維電子氣（2DEG）濃度，高電子飽和速度等出色的特性而備受關(guān)注。

對(duì)于GaN 電力電子器件而言，通常要確保器件在獲得高擊穿電壓的同時(shí)具有相對(duì)較低的導(dǎo)通電阻，因此使用Mg摻雜的p 型GaN 埋層結(jié)構(gòu)被提出，該結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)柵漏間的體電場(chǎng)和表面電場(chǎng)分布來增強(qiáng)擊穿電壓VBK，且在RON，sp和VBK之間可以達(dá)到更好的權(quán)衡。

論文通過Sentaurus TCAD 對(duì)具有遠(yuǎn)離溝道的p-GaN 埋層結(jié)構(gòu)的MISFET 進(jìn)行了2D 仿真分析及優(yōu)化。最終，優(yōu)化后的器件擊穿電壓VBK=1941V。

2 器件結(jié)構(gòu)

AlGaN/GaN MISFET 的截面圖，兩者之間的不同點(diǎn)在于GaN 緩沖層中是否埋設(shè)p 型GaN 埋層。

該結(jié)構(gòu)具有無意摻雜的Al0.25Ga0.75N 勢(shì)壘層，無意摻雜的GaN 溝道層及緩沖層。柵極下方的勢(shì)壘層被完全刻蝕以實(shí)現(xiàn)常關(guān)操作[1-4]。

埋層頂部與溝道底部的距離為dBC（dBC=0.01，0.3，0.5，1um），埋層右側(cè)與柵場(chǎng)板右側(cè)邊緣的水平距離為dBG（dBG=-0.5，0，0.5，1，2，3，4um），埋層從容易擊穿的柵場(chǎng)板邊緣的左側(cè)逐漸向漏端延伸，另外埋層的厚度固定為0.2um，埋層左側(cè)距離器件邊緣的距離為1.5um。

3 埋層對(duì)器件的擊穿

和傳統(tǒng)MISFET相比，PBL器件取得了更高的擊穿電壓，增強(qiáng)了擊穿特性。

圖2 為埋層空穴濃度為不同dBG和dBC對(duì)器件擊穿電壓VBK的影響，此時(shí)柵極電壓Vgs=0V，漏極電壓Vds=VBK。

圖1 MISFET 結(jié)構(gòu)截面圖

圖2 不同dBG 和dBC 對(duì)應(yīng)的擊穿電壓VBK

圖2 說明相同dBG，dBC條件下，Nburied高時(shí)對(duì)應(yīng)的擊穿電壓VBK更大。當(dāng)Nburied=5 ⅹ1017cm-3時(shí)，從圖3（c）中可以看到，當(dāng)dBG≥3.0um 后，器件擊穿電壓發(fā)生了與埋層空穴濃度低時(shí)相比不同的變化，這是由于此時(shí)擊穿點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)移。從dBG=3um 開始，漏端電場(chǎng)和碰撞電離率都會(huì)開始增加，并超過柵場(chǎng)板邊緣對(duì)應(yīng)的橫向電場(chǎng)和碰撞電離率，漏端的電場(chǎng)線分布更加密集使得器件在漏端發(fā)生了擊穿，擊穿點(diǎn)從柵場(chǎng)板邊緣轉(zhuǎn)移到了漏端。

4 結(jié)論

論文提出的PBL 器件在其緩沖層內(nèi)具有遠(yuǎn)離溝道的P型GaN 埋層，PBL 的空穴擴(kuò)散使其周圍產(chǎn)生了對(duì)電場(chǎng)線有吸引作用的正空間電荷區(qū)域，即PBL 能夠調(diào)制電場(chǎng)。埋層與漏端的距離過近時(shí)，PBL 會(huì)增強(qiáng)漏端的電場(chǎng)，導(dǎo)致器件擊穿點(diǎn)從柵場(chǎng)板邊緣轉(zhuǎn)移到漏端，文中獲得的高擊穿電壓為1941V。