趙智源，杜江鋒，劉 勇，于 奇

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都 610054)

隨著硅基功率二極管的研究逐漸成熟，其性能幾乎接近硅的理論極限。第三代寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)材料和器件具有高擊穿電場、低導(dǎo)通電阻和高開關(guān)速度等明顯優(yōu)勢，在未來大功率器件和高頻功率電子系統(tǒng)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。特別是隨著高質(zhì)量自支撐襯底GaN 外延材料技術(shù)的快速發(fā)展，GaN 垂直結(jié)構(gòu)耐壓功率器件的研究獲得了廣泛關(guān)注[1-6]。然而在垂直GaN 基PN 二極管高耐壓器件工作時，PN 結(jié)邊緣處不可避免地會產(chǎn)生電場擁擠現(xiàn)象，明顯限制了器件擊穿電壓的提升。目前主流的解決方案是采用浮空場限環(huán)(FLR)、結(jié)終端擴展(JTE)等技術(shù)來緩解PN 結(jié)邊緣的電場擁擠現(xiàn)象[7-13]，但工藝版圖復(fù)雜、Mg 摻雜激活率低從而導(dǎo)致p-GaN 實現(xiàn)困難，限制了上述技術(shù)的應(yīng)用。基于以上背景，本文提出了一種新型復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直GaN 基高耐壓梯形二極管，該新結(jié)構(gòu)器件的特點是通過在PN 結(jié)的外側(cè)引入復(fù)合介質(zhì)層，從而在二極管的漂移區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生一個新的電場峰值來調(diào)制器件的電場分布。相比其他結(jié)終端的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于可以在提升器件耐壓的同時，不影響器件的正向?qū)ㄌ匦浴?/p>

1 器件結(jié)構(gòu)與仿真

具有雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直GaN 基梯形二極管的橫向截面圖如圖1 所示。該復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)由一層高介電常數(shù)的材料(Si3N4)和一層低介電常數(shù)的材料(SiO2)組成并縱向排列于有源區(qū)的兩側(cè)。二極管中p型摻雜區(qū)厚度為0.5 μm，摻雜濃度為3 ×1017cm-3。n型摻雜區(qū)的厚度為15.5 μm，摻雜濃度定義為Nnc。圖1 中的關(guān)鍵參數(shù)含義闡述如下:T為PN 結(jié)界面與復(fù)合介質(zhì)層界面之間的高度差，L為復(fù)合介質(zhì)層的長度，n型摻雜區(qū)的橫截面形狀為梯形，其上底和下底的長度分別定義為Lpn(up)和Lpn(down)，大小分別為7 μm 和10 μm，Tpn是外延層的總厚度，梯形的底角定義為θ。在工藝上考慮采用光電化學(xué)(PEC)刻蝕的辦法實現(xiàn)深槽刻蝕[23]，PEC 刻蝕利用帶隙紫外線照射GaN 材料產(chǎn)生載流子，同時外加電壓驅(qū)動光生空穴至GaN 表面，從而氧化GaN 并將其溶解在酸性或堿性溶液中實現(xiàn)刻蝕。該方法具有刻蝕損傷小，界面質(zhì)量好，可以實現(xiàn)高深寬比的深槽刻蝕等優(yōu)點。完成PEC 刻蝕后，再通過PECVD 在深槽中填充介質(zhì)實現(xiàn)復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)[24]，具備一定的可行性。

根據(jù)高斯定律，在介質(zhì)常數(shù)K 不同的介質(zhì)界面處，電場強度滿足Maxwell 方程:

式中:εSi3N4和εSiO2分別為Si3N4和SiO2的相對介電常數(shù)，ESi3N4和ESiO2分別為Si3N4和SiO2介質(zhì)內(nèi)部在界面處的電場強度大小。由式(1)可知，由于介電常數(shù)在界面處的突變，電場強度在介質(zhì)界面處不連續(xù)且比值與介質(zhì)的介電常數(shù)大小比值成反比。在介質(zhì)-半導(dǎo)體界面附近，半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度與介質(zhì)層內(nèi)部電場強度同樣滿足式(1)，因此在低介電常數(shù)介質(zhì)附近的半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度較高，而在高介電常數(shù)介質(zhì)附近的半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度較低。又因在半導(dǎo)體的內(nèi)部電場分布是連續(xù)的，因此在復(fù)合介質(zhì)層的界面附近，半導(dǎo)體的內(nèi)部電場存在由低到高的陡升現(xiàn)象，表現(xiàn)為一個新的電場峰值出現(xiàn)在漂移區(qū)的內(nèi)部靠近Si3N4和SiO2介質(zhì)界面的附近，從而達到調(diào)節(jié)PN 二極管漂移區(qū)內(nèi)部電場分布使其更加均勻的目的。

圖1 復(fù)合介質(zhì)GaN 基梯形二極管橫截圖Fig.1 Schematic cross-section of trapezoidal GaN PN diode with a compound dielectric

圖2 為利用Silvaco TCAD 仿真工具仿真得到的器件內(nèi)部電場分布圖，圖2(a)、(b)、(c)分別為普通GaN 基PN 二極管、GaN 基梯形二極管以及復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管在發(fā)生雪崩擊穿的瞬間器件內(nèi)部的電場分布?？梢园l(fā)現(xiàn)相比于圖2(a)、(b)中沒有復(fù)合介質(zhì)層的二極管結(jié)構(gòu)，圖2(c)中具有高/低K 介質(zhì)層的二極管的漂移區(qū)內(nèi)部存在一個新的電場峰值，與之前理論分析的結(jié)果符合，說明了該復(fù)合介質(zhì)層調(diào)節(jié)電場分布的有效性。

上述三種結(jié)構(gòu)在PN 結(jié)邊緣處沿垂直方向的電場分布曲線如圖3 所示。相比于普通結(jié)構(gòu)的垂直二極管和梯形二極管，該復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管在Si3N4和SiO2介質(zhì)界面處存在一個新的電場峰值。漂移區(qū)內(nèi)部的電場分布曲線從整體上被拉高且器件的漂移區(qū)內(nèi)部電場分布相比沒有復(fù)合介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的二極管更加均勻。

圖2 (a) GaN 基的垂直二極管；(b) 梯形二極管；(c) 復(fù)合介質(zhì)梯形二極管在擊穿時的內(nèi)部電場分布圖像Fig.2 Electric field distribution of (a) GaN vertical diode，(b) trapezoidal diode and (c) trapezoidal diode with a compound dielectric

圖3 三種不同結(jié)構(gòu)二極管的內(nèi)部電場分布曲線Fig.3 Electric field profiles of three different structures of diodes

2 優(yōu)化與結(jié)果分析

為了探究該復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管的極限耐壓性能，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如PN 結(jié)界面與復(fù)合介質(zhì)層界面之間的高度差T、復(fù)合介質(zhì)層的長度L、n 型摻雜區(qū)的濃度Nnc以及梯形的底角θ等通過仿真得到了優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果給出了器件的耐壓最優(yōu)值。為了進一步提升該復(fù)合介質(zhì)層結(jié)構(gòu)提升耐壓的作用，具備三層介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直GaN 基梯形二極管結(jié)構(gòu)被提出并給出了部分參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。

圖4 為基于擊穿電壓對結(jié)構(gòu)參數(shù)中的L和T進行仿真優(yōu)化的結(jié)果。在L為10 μm 時，擊穿電壓BV 隨著T的增加而增加，在T=5 μm 時BV 達到最大值，之后再隨著T的增加而減少。因此取5 μm 為T的優(yōu)值。從插圖中可以看出，在T為5 μm 時，擊穿電壓BV 隨著L的增加而增加，且在L增加到10 μm 后達到了飽和區(qū)。因此取L=10 μm 為優(yōu)值。最終該復(fù)合結(jié)構(gòu)在T=5 μm，L=10 μm 時二極管的耐壓達到最大值。

圖4 擊穿電壓(BV)隨著L 和T 的變化曲線Fig.4 Breakdown voltage change curves with L and T

圖5 為保持L和T不變對底角θ和漂移區(qū)摻雜濃度Nnc的優(yōu)化結(jié)果。圖5(a)為梯形的底角θ與器件的擊穿電壓(BV)的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，擊穿電壓隨著角度θ的增加先增加后減小，且在θ為87°時達到最大值。圖5(b)為漂移區(qū)摻雜濃度Nnc與器件的導(dǎo)通電阻Ron、擊穿電阻BV 的關(guān)系曲線，插圖為器件的BFOM 與Nnc的關(guān)系曲線。由圖可知，器件的BV 和Ron隨著Nnc的增大而減小，體現(xiàn)了二極管器件中的Ron和BV 之間存在的Trade-off 關(guān)系。而BFOM 則隨著Nnc的增大先增大后減小，因此取BFOM 在最高點時的Nnc為最優(yōu)值。

圖5 (a)擊穿電壓隨著θ 的變化曲線。(b)導(dǎo)通電阻Ron和BV 隨著漂移區(qū)摻雜濃度Nnc的變化曲線，插圖為BFOM 優(yōu)值隨Nnc的變化Fig.5 (a)Dependence of breakdown voltage and θ.(b)BV and Ronas functions of GaN n-type drift layer's doping concentration (Nnc).The inset of Fig.5 (b) shows the dependence of BFOM and Nnc

基于上述關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，圖6 給出了GaN基的普通PN 二極管、梯形二極管以及復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的反向特性對比圖，插圖為三種結(jié)構(gòu)的正向特性曲線。三種結(jié)構(gòu)的有源區(qū)均具有相同的外延層結(jié)構(gòu)，其中p 型摻雜區(qū)厚度為0.5 μm，摻雜濃度為3×1017cm-3，n 型摻雜區(qū)的厚度為15.5 μm，摻雜濃度為1.5 ×1016cm-3。θ、L和T的取值分別為87°，10 μm 和5 μm。普通PN 二極管、梯形二極管以及復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的BV 分別為2780，2300 和4360 V。從插圖可以看出，三種結(jié)構(gòu)具有相似的正向特性曲線和導(dǎo)通電阻大小。通過正向特性曲線計算出該復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的導(dǎo)通電阻為1.53 mΩ·cm2。

相比具有兩層介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有三層介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)具備更好的調(diào)節(jié)二極管漂移區(qū)內(nèi)部的電場分布的能力，從而可以進一步提高器件的耐壓?；谏鲜鰧哂袃蓪咏橘|(zhì)的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管優(yōu)化結(jié)果，具有Al2O3、Si3N4和SiO2三層介質(zhì)的復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 梯形二極管被提出并進行了仿真優(yōu)化。圖7 為三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管的橫向截面圖，其中p型摻雜區(qū)厚度為0.5 μm，摻雜濃度為3×1017cm-3，n 型摻雜區(qū)的厚度為15.5 μm，摻雜濃度為1.5 ×1016cm-3。T1為Al2O3和Si3N4介質(zhì)層界面與PN 結(jié)界面之間的距離。T2為Si3N4與SiO2介質(zhì)層界面與PN 結(jié)界面之間的距離。L與θ分別取為10 μm 和87°。

圖6 GaN 基普通PN 二極管、梯形二極管以及復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的反向特性曲線，插圖為正向特性曲線Fig.6 Reverse I-V characteristics of regular PN diode，trapezoidal diode and trapezoidal diode with compound dielectric.The inset of Fig.6 shows the forward I-V characteristics of three different structures of diodes

圖7 三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管的橫截圖Fig.7 GaN trapezoidal PN diodes with compound dielectric of three layers

圖8 為GaN 基的普通PN 二極管、梯形二極管、雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管以及三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的沿垂直方向的電場分布曲線。相比具有雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的梯形二極管，三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的梯形二極管多了一個電場的峰值，漂移區(qū)內(nèi)部的電場分布更加均勻。說明通過增加介質(zhì)層的數(shù)量可以起到進一步調(diào)節(jié)漂移區(qū)內(nèi)部的電場分布的作用，從而提高器件的耐壓。

圖8 GaN 基普通PN 二極管、梯形二極管、雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管以及三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的垂直方向電場分布曲線Fig.8 The electric field distributions corresponding to GaN regular PN diode，trapezoidal diode，trapezoidal diode with compound dielectric of two layers and trapezoidal diode with compound dielectric of three layers

圖9 為插圖所示結(jié)構(gòu)的BV 與T1的關(guān)系曲線。插圖為具有Al2O3和Si3N4兩層介質(zhì)層的GaN 基梯形二極管的截面圖，其外延層結(jié)構(gòu)與前文結(jié)構(gòu)相同，其中p型摻雜區(qū)的厚度為0.5 μm，摻雜濃度為3 ×1017cm-3，n 型摻雜區(qū)厚度為15.5 μm，摻雜濃度為1.5 ×1016cm-3。梯形底角為87°，復(fù)合介質(zhì)層的長度L為10 μm。從圖中可以看出，BV 隨著T1的增加先增大后減小，當(dāng)T1取值在3～6 μm 之間時，擊穿電壓為4530～4570 V 之間，穩(wěn)定在相對高的范圍內(nèi)，之后再隨著T1的增加而減小。在T1從2 μm 增加到3 μm 以及從6 μm 增加到7 μm 的過程中，BV 的數(shù)值均存在跳變。因此取3～6 μm 為T1的優(yōu)值范圍。

圖10 為T1取1～10 μm 時圖9 中二極管內(nèi)部的縱向電場分布曲線。隨著T1的增大，PN 結(jié)界面處的電場峰值穩(wěn)定在3.5 MV/cm 左右，復(fù)合介質(zhì)層界面處的電場峰值則隨著T1的增大先增大后減小。通過對T1取4～10 μm 時介質(zhì)層界面的電場峰值的大小進行擬合，可以發(fā)現(xiàn)電場峰值的下降趨勢符合指數(shù)函數(shù)的下降規(guī)律。在T1為3～6 μm 時，介質(zhì)層界面處的電場峰值處于相對高點，約為3.9 MV/cm 左右，說明此時復(fù)合介質(zhì)層對電場的調(diào)節(jié)作用達到最大。

圖9 擊穿電壓BV 隨著T1的變化曲線，插圖為具有Al2O3和Si3N4兩層介質(zhì)層的GaN 基梯形二極管器件橫截圖Fig.9 Breakdown voltage change curves with T1.Inset:Schematic cross-section of trapezoidal GaN PN diode with Al2O3/Si3N4compound dielectric

圖10 T1取1～10 μm 時二極管內(nèi)部縱向電場分布Fig.10 The electric field distributions of PN diodes when T1=1-10 μm

圖11 為T1=5 μm 時插圖所示結(jié)構(gòu)的擊穿電壓隨著T2的增加而變化的曲線。插圖為具有Al2O3、Si3N4和SiO2三層介質(zhì)層的GaN 基梯形二極管截面圖，其中p 型摻雜區(qū)的厚度為0.5 μm，摻雜濃度為3×1017cm-3，n 型摻雜區(qū)厚度為15.5 μm，摻雜濃度為1.5×1016cm-3。梯形底角為87°，復(fù)合介質(zhì)層的長度L為10 μm?？梢园l(fā)現(xiàn)器件的擊穿電壓隨著T2的增加而逐漸減小，T2取6 μm 時BV 最大為5360 V。這是由于復(fù)合介質(zhì)界面與PN結(jié)界面之間距離為3～5 μm 時，復(fù)合介質(zhì)層對電場的調(diào)節(jié)作用最大，而離PN 結(jié)界面距離為5 μm 的位置已經(jīng)被Al2O3/Si3N4的介質(zhì)層界面占據(jù)，因此Si3N4/SiO2的介質(zhì)層界面只能占據(jù)距離PN 結(jié)界面大于5 μm 的位置。這導(dǎo)致Si3N4/SiO2的介質(zhì)層界面在逐漸遠離PN 結(jié)界面過程中，對漂移區(qū)內(nèi)部電場的調(diào)節(jié)作用逐漸減小，反映為器件的BV 隨著T2增加而單調(diào)下降。

圖12 為不同結(jié)構(gòu)二極管的正向特性曲線和反向特性曲線。圖12(a)為經(jīng)過優(yōu)化后的普通PN 二極管、梯形二極管、雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管以及三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的反向特性曲線對比，圖12(b)則為四種結(jié)構(gòu)的正向特性曲線。普通PN 二極管、梯形二極管、雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管以及三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的擊穿電壓分別為2300，2780，4360 和5360 V。相比于具有雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的梯形二極管，具備三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的梯形二極管的耐壓提升了22.9%。四種結(jié)構(gòu)具有相似的正向特性曲線，開啟電壓Von均在3 V 左右。其中普通PN 二極管導(dǎo)通的電流略大于其他三種結(jié)構(gòu)。這是因為相比梯形的二極管，在底邊長度相同的情況下，底角為直角的二極管有源區(qū)面積要略大于梯形的二極管。正向特性曲線高度相似說明復(fù)合介質(zhì)層結(jié)構(gòu)對二極管的正向特性幾乎沒有影響。通過計算可得雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管和三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的導(dǎo)通電阻為1.53 mΩ·cm2，對應(yīng)的BFOM，即(BV)2/Ron大小分別為12.4 GW/cm2和18.78 GW/cm2。

圖11 T1=5 μm 時擊穿電壓隨著T2的變化曲線，插圖為具有Al2O3、Si3N4和SiO2三層介質(zhì)層的GaN 基梯形二極管截面圖Fig.11 Breakdown voltage change curves with T2when T1=5 μm.Inset:Schematic cross-section of trapezoidal GaN PN diode with Al2O3/Si3N4/SiO2compound dielectric

圖13 為具有雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)和三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓與其他垂直功率二極管的文獻比較圖[14-22]。文獻[21]為具有場限環(huán)結(jié)構(gòu)的GaN 基垂直PN 二極管結(jié)構(gòu)，通過在主PN 結(jié)區(qū)域和場限環(huán)區(qū)域之間插入一個電阻器件來抑制結(jié)邊緣處電場擁擠現(xiàn)象，從而提升器件耐壓；文獻[1]為具有場板結(jié)構(gòu)的GaN 垂直PN 二極管，該結(jié)構(gòu)通過場板結(jié)構(gòu)抑制結(jié)邊緣的電場擁擠，同時通過優(yōu)化具有多層不同摻雜濃度n 型摻雜區(qū)的穿通結(jié)來降低器件的導(dǎo)通電阻。從對比圖中可以看出，本文中復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管的性能已經(jīng)接近GaN 材料的理論極限。而且相比于文獻中具有相似性能的其他結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無需在有源區(qū)外構(gòu)造額外器件來調(diào)制電場，同時有源區(qū)也沒有復(fù)雜的外延層結(jié)構(gòu)，具備較好的面積利用效率和進一步提升的潛力。

圖12 GaN 基普通PN 二極管、梯形二極管、雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管以及三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)梯形二極管的(a) 反向特性曲線和(b) 正向?qū)ㄇ€Fig.12 (a) Reverse I-V characteristics and (b) positive I-V characteristics of regular PN diode，trapezoidal diode，trapezoidal diode with double compound dielectric and trapezoidal diode with treble compound dielectric

圖13 二極管的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓文獻對比圖Fig.13 Benchmark of Ronvs BV of the vertical power diodes

3 結(jié)論

本文提出了一種高擊穿電壓復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)垂直GaN 基PN 二極管，利用Silvaco TCAD 對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計和分析。得出了器件的擊穿電壓隨著結(jié)構(gòu)中的各個關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，經(jīng)過優(yōu)化后具有雙層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN 基梯形二極管的擊穿電壓為4360 V，相比普通GaN 基PN 二極管耐壓提升了56.8%，正向?qū)娮铻?.53 mΩ·cm2，BFOM 為12.4 GW/cm2；具有三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN 基梯形二極管的擊穿電壓為5360 V，相比沒有復(fù)合介質(zhì)層的GaN 基普通PN 二極管提高了92.8%，正向?qū)娮铻?.53 mΩ·cm2，BFOM 為18.78 GW/cm2。具有三層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN 基梯形二極管的平均擊穿電場為3.35 MV/cm，接近GaN 材料的理論極限。證明了復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)具備對漂移區(qū)電場的調(diào)制作用，具有該結(jié)構(gòu)的二極管可以在不犧牲正向?qū)ㄐ阅艿那闆r下顯著提升耐壓，為設(shè)計高耐壓的GaN 基垂直二極管器件提供了新的思路和方向。