朱友華，薛海峰，王美玉，李 毅

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019）

GaN 基功率器件具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、耐高溫以及電子遷移率高等優(yōu)異特性，而作為核心光電子器件之一的肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky barrier diode，SBD）也通常被廣泛應(yīng)用于高頻大功率集成電路以及通信領(lǐng)域[1]。相較于Si、GaAs 及SiC 材料，GaN 屬于新型的直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，由于更大的禁帶寬度，使得價(jià)帶上的電子很難躍遷到導(dǎo)帶，因此具有更高的擊穿電壓（breakdown voltage，BV）[2-3]。此外，GaN 基功率器件的性能指標(biāo)，如巴利伽與約翰遜優(yōu)值也相對(duì)較大[2]。近年來，GaNSBD 由于同時(shí)具有上述優(yōu)異特性，在高溫高頻及大功率等工業(yè)應(yīng)用中一直廣受關(guān)注[4-6]。就傳統(tǒng)SBD而言，擊穿電壓很難達(dá)到其理論最大值。主要由于器件邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度要比內(nèi)部大，導(dǎo)致?lián)舸╇妷嚎焖俳档停煌瑫r(shí)受限于工藝技術(shù)水準(zhǔn)，肖特基結(jié)面與二極管其他主要材料之間一般屬于非理想平面，在其邊角處的結(jié)面常類似于圓柱面或球面[7-8]。肖特基結(jié)面在邊角處存在一定的曲率，稱之為SBD 邊緣電流擁擠效應(yīng)（又稱為曲率效應(yīng)），導(dǎo)致陽(yáng)極邊緣處電場(chǎng)要比其他區(qū)域電場(chǎng)高，因此當(dāng)反向偏壓增大時(shí)，SBD陽(yáng)極處將會(huì)先于器件內(nèi)部發(fā)生擊穿[9]。

為了提高SBD 的反向擊穿電壓，通常采用特殊邊緣終端結(jié)構(gòu)以便減小上述的結(jié)邊緣曲率。其代表性的結(jié)終端技術(shù)分別有場(chǎng)板[10-17]、保護(hù)環(huán)[18-19]、懸浮金屬環(huán)[20-21]、結(jié)終端擴(kuò)展[22-23]等結(jié)構(gòu)。此外，因工藝較為成熟且能確保SBD 擊穿特性得以顯著改善，橫向場(chǎng)板型終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在SBD 器件相關(guān)研究中也得以廣泛應(yīng)用。本文借助Silvaco TCAD 仿真軟件，基于傳統(tǒng)型GaN-SBD 結(jié)構(gòu)，通過外加陽(yáng)極橫向場(chǎng)板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改變其場(chǎng)板長(zhǎng)度（LFP）、絕緣層厚度（TFP）及GaN 漂移層摻雜濃度（ND）所對(duì)應(yīng)的3 個(gè)重要物理參數(shù)，研究其擊穿電壓的各種變化趨勢(shì)，并得出相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的有效實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該研究也將給器件設(shè)計(jì)及工藝加工等重要環(huán)節(jié)提供一定的可行性指導(dǎo)建議。

1 GaN-SBD 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Silvaco TCAD 軟件設(shè)計(jì)了陰極直徑為15 μm、厚度為0.1 μm，襯底與漂移層的厚度均為3 μm，陽(yáng)極厚度為1 μm 的GaN-SBD。其中陽(yáng)極俯視圖為弓形，弦長(zhǎng)與其邊緣最大距離為5 μm，陽(yáng)極金屬選擇的是銀（Ag）。同時(shí)，為了研究終端結(jié)構(gòu)對(duì)GaN-SBD 擊穿電壓的影響，需將陽(yáng)極處凸顯出來，故將其定義為一塊矩形區(qū)域，即圖1 中灰色矩形部分，也便于順利研究分析其與帶場(chǎng)板結(jié)構(gòu)GaN-SBD在性能上的差異。因SBD 的陰極需在金屬與襯底之間形成歐姆接觸，特采用襯底重?fù)诫s的方式，設(shè)ND為1 × 1019cm-3。而陽(yáng)極則需要金屬與GaN 之間形成肖特基接觸，故在GaN 外延層中設(shè)計(jì)為摻入硅烷（SiH4）雜質(zhì)以形成n 型GaN。由于少量摻雜將有助于GaN-SBD 獲得更高的擊穿電壓，因此漂移區(qū)ND設(shè)定為1 × 1016cm-3。此外，帶場(chǎng)板GaN-SBD 在肖特基陽(yáng)極處使用與陽(yáng)極同樣的Ag 材料作為場(chǎng)板，即從陽(yáng)極上方所延伸的那層作為場(chǎng)板，該場(chǎng)板與GaN 之間設(shè)計(jì)填充氮化硅（Si3N4）作為絕緣材料，其他參數(shù)與普通SBD 相同。

圖1 分別是傳統(tǒng)型GaN-SBD 與場(chǎng)板型GaNSBD 的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中LFP表示橫向場(chǎng)板的長(zhǎng)度，TFP表示橫向場(chǎng)板下方絕緣層的厚度。由于外加場(chǎng)板直接與陽(yáng)極連接在一起，從而使SBD 在外加電壓時(shí)場(chǎng)板上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)電壓，且相互間電位相同。該額外設(shè)計(jì)的場(chǎng)板區(qū)域?qū)⒃葲]有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)即傳統(tǒng)型SBD 陽(yáng)極下方的耗盡區(qū)寬度沿著陽(yáng)極金屬到場(chǎng)板方向得以有效延伸，能夠有效減緩電流擁擠效應(yīng)，得以提高SBD 性能。對(duì)于所設(shè)計(jì)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，其起決定性作用的參量分別是場(chǎng)板在絕緣層上的長(zhǎng)度、場(chǎng)板在下方絕緣層的厚度和絕緣層材料。本文基于Silvaco TCAD 軟件，在場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP、場(chǎng)板下方絕緣層厚度TFP及漂移層摻雜濃度ND重要參數(shù)各變化條件之下，分別順利仿真出所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓VB變化情況，同時(shí)就各仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以科學(xué)分析與討論。

圖1 GaN-SBD 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 GaN-SBD schematics

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)型GaN-SBD

首先基于Silvaco 軟件進(jìn)行圖1（a）中傳統(tǒng)型GaN-SBD 的器件模擬仿真，以得出其擊穿電壓并作為對(duì)應(yīng)的參考值。仿真中所設(shè)定的電子碰撞電離系數(shù)αn與空穴碰撞電離系數(shù)αP皆為2.9 × 108。另外擊穿模型中選用雪崩擊穿方式。因傳統(tǒng)型GaN-SBD與場(chǎng)板型GaN-SBD 結(jié)構(gòu)的最大差異在于是否有場(chǎng)板，可將前者假設(shè)為場(chǎng)板型GaN-SBD 的特例，只是該場(chǎng)板長(zhǎng)度為0，僅需在場(chǎng)板型GaN-SBD 的仿真表達(dá)方程式中將場(chǎng)板長(zhǎng)度變量設(shè)置為0 便可得出傳統(tǒng)型GaN-SBD 的擊穿特性。傳統(tǒng)型擊穿特性由如圖2 所示。SBD 一般以其從反向截至狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤聪螂妷合碌膶?dǎo)通狀態(tài)作為該器件擊穿的判斷依據(jù)。從圖2 可以清楚得出傳統(tǒng)即不帶場(chǎng)板型GaNSBD 擊穿電壓達(dá)到350 V 左右，其反向電壓一旦達(dá)到350 V 時(shí)其陽(yáng)極電流便迅速增大，呈現(xiàn)反向電壓下的導(dǎo)通狀態(tài)。由于GaN 材料的禁帶寬度較大，故價(jià)帶上的電子需要獲得更大能量方能躍遷到導(dǎo)帶上。而隨著反向電壓不斷增大，其雪崩擊穿也被相對(duì)延遲。圖3 是仿真?zhèn)鹘y(tǒng)型GaN-SBD 的正向?qū)ㄌ匦郧€。其中陽(yáng)極電流密度通過陽(yáng)極電流與器件表面積的比值來計(jì)算，而由于陽(yáng)極面積已包含在器件表面積之內(nèi)，其陽(yáng)極形狀不會(huì)影響后續(xù)的討論與分析。從中能夠知曉其正向?qū)妷杭s為0.2 V，該結(jié)果也符合器件應(yīng)有的電學(xué)特性。

圖2 傳統(tǒng)型GaN-SBD 擊穿特性曲線圖Fig.2 Breakdown characteristics of the conventional GaN-SBD

圖3 傳統(tǒng)型GaN-SBD 正向特性曲線圖Fig.3 Forward J-V characteristics of the conventional GaN-SBD

2.2 場(chǎng)板型GaN-SBD 的LFP

通過改變場(chǎng)板長(zhǎng)度即LFP進(jìn)行相關(guān)仿真。先設(shè)定場(chǎng)板下的絕緣層厚度TFP為300 nm，漂移層的摻雜濃度ND為1 × 1016cm-3時(shí)，改變場(chǎng)板長(zhǎng)度從0（即沒有場(chǎng)板）增加到2.0 μm，其擊穿電壓的變化趨勢(shì)由圖4 所示。

圖4 LFP 對(duì)擊穿電壓的影響Fig.4 LFP influence on the breakdown voltage

從圖中能清楚觀察到當(dāng)場(chǎng)板長(zhǎng)度從0 增加到1.6 μm 時(shí)，擊穿電壓逐步增加，因?yàn)閳?chǎng)板設(shè)計(jì)拓寬了器件表面的耗盡層，在一定程度上能有效緩解陽(yáng)極之下的電場(chǎng)強(qiáng)度；而當(dāng)場(chǎng)板長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，擊穿電壓達(dá)到閾值（840 V）后不再變化。再進(jìn)一步利用Silvaco TCAD 軟件，得出場(chǎng)板型與傳統(tǒng)型GaNSBD 在擊穿發(fā)生時(shí)的電場(chǎng)分布，如圖5 所示。從圖中可以明顯地觀測(cè)到外加橫向場(chǎng)板后的器件表面已出現(xiàn)兩處電場(chǎng)非常集中的區(qū)域：一處在原SBD 的陽(yáng)極處；另一處在外加場(chǎng)板的邊緣。而外加場(chǎng)板的邊緣處也會(huì)形成密集電場(chǎng)，這是場(chǎng)板所帶來的弊端。因此需要使介質(zhì)絕緣層的耐壓性優(yōu)于主體材料，以防GaN-SBD 主體尚未擊穿時(shí)，介質(zhì)絕緣層卻先發(fā)生擊穿。本文選取的氮化硅（Si3N4）正具有該特性。與傳統(tǒng)型相比，場(chǎng)板型GaN-SBD 的耗盡區(qū)向著x軸正方向延伸，且原肖特基陽(yáng)極處的電流擁擠現(xiàn)象在一定程度上得以有效減緩，進(jìn)而有效提高了SBD的擊穿電壓，改善了其電學(xué)特性。

圖5 GaN-SBD 電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.5 GaN-SBD electric field distribution

圖6 為不同LFP下器件表面處的電場(chǎng)分布。從圖中可以清楚看到器件表面處出現(xiàn)兩個(gè)電場(chǎng)峰值，由于受到上述曲率效應(yīng)的影響，高電場(chǎng)區(qū)域總是位于陽(yáng)極與場(chǎng)板邊角處[22]?，F(xiàn)以第一峰為主峰，第二峰為次峰，分別對(duì)應(yīng)于肖特基陽(yáng)極與場(chǎng)板的最右邊角。由勻強(qiáng)電場(chǎng)中E=U/d 及微積分基本原理可知，曲線與x 軸所圍面積代表其擊穿電壓值。同時(shí)從圖中也能明顯觀察到，隨場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP從0.8 增加到1.4 μm 乃至1.6 μm，次峰處的電場(chǎng)值沿x 軸正方向逐漸變大，所圍面積也逐漸增大，證實(shí)其擊穿電壓逐漸提高。

圖6 當(dāng)TFP=300 nm，LFP 分別為0.8、1.4、1.6 μm 時(shí)，器件表面電場(chǎng)分布Fig.6 Device surface electric field distribution when TFP=300 nm,LFP=0.8,1.4,1.6 μm

2.3 場(chǎng)板型GaN-SBD 的TFP

由圖6 可知，橫向場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP在1.6 μm 時(shí)達(dá)到最優(yōu)值。故選取LFP=1.6 μm，ND=1 × 1016cm-3，通過改變場(chǎng)板下方絕緣層厚度TFP研究對(duì)擊穿電壓的影響。TFP由0.1 μm 增加到0.4 μm 時(shí)，擊穿電壓變化趨勢(shì)如圖7 所示。

圖7 TFP 對(duì)擊穿電壓的影響Fig.7 TFP influence on the breakdown voltage

從圖中可知，當(dāng)TFP從0.1 μm 增大到0.3 μm時(shí)，器件的擊穿電壓逐步提高。主要是場(chǎng)板和Si3N4絕緣層及半導(dǎo)體三者形成了一個(gè)MIS 電容，Si3N4層作為電容層的絕緣介質(zhì)[7]，當(dāng)TFP較小時(shí)，絕緣層內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度較大從而減緩了陽(yáng)極下的電場(chǎng)強(qiáng)度；當(dāng)TFP為0.3 μm 時(shí)器件的擊穿電壓值最高；當(dāng)TFP繼續(xù)增大時(shí)，由于介質(zhì)絕緣層發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件的擊穿電壓降低。

圖8 為不同TFP下器件表面處的電場(chǎng)分布。分別用E1、E2、E3、E4代 表TFP分別為0.1、0.2、0.3、0.4 μm 時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度。首先分析圖中TFP=0.1、0.2、0.3 μm 的曲線，可以發(fā)現(xiàn)主峰處的電場(chǎng)強(qiáng)度大小是E3>E2>E1，而次峰處的電場(chǎng)強(qiáng)度大小是E2>E1>E3，但相較于主峰處的差值而言，他們之間的相差并不太大，因此與x 軸包圍的面積仍是絕緣層厚度為0.3 μm 的曲線>絕緣層厚度為0.2 μm 的曲線>絕緣層厚度為0.1 μm 的曲線，即顯示了擊穿電壓從TFP=0.1、0.2、0.3 μm 依次增大。而對(duì)比TFP=0.3 μm 與TFP=0.4 μm 的曲線可知，在主峰處兩者所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)值接近，在次峰處TFP=0.3 μm時(shí)的電場(chǎng)值要比TFP=0.4 μm 的大得多。上述仿真結(jié)果均說明在TFP=0.3 μm 之后絕緣層中已經(jīng)發(fā)生擊穿，因而SBD 的擊穿電壓也同時(shí)將出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖8 當(dāng)LFP=1.6 μm，TFP 分別為0.1、0.2、0.3、0.4 μm時(shí)，器件表面電場(chǎng)分布Fig.8 Device surface electric field distribution when LFP=1.6 μm,TFP=0.1,0.2,0.3,0.4 μm

2.4 場(chǎng)板型GaN-SBD 的ND

因受限于雪崩擊穿，二極管通常無法承受過大的擊穿電壓，卻也能在擊穿之前確保較小的反向漏電流。因其外加電壓所產(chǎn)生的電子阻擋層實(shí)際上位于SBD 結(jié)構(gòu)中的漂移層，當(dāng)漂移層的摻雜濃度ND逐漸變大時(shí)，雜質(zhì)電離所產(chǎn)生的載流子-電子濃度也會(huì)隨之變大，而帶有足夠動(dòng)能的電子將會(huì)與晶格原子發(fā)生碰撞，致使價(jià)帶上的電子躍遷至導(dǎo)帶同時(shí)也導(dǎo)致更多電子與空穴[16]。再者，新形成的自由電子會(huì)受到空間電荷區(qū)中強(qiáng)電場(chǎng)的作用而獲得更高的動(dòng)能，如此反復(fù)使得載流子濃度呈幾何倍增直至器件最終被擊穿。SBD 的擊穿電壓可以通過公式VBD=進(jìn)行計(jì)算[24]。隨著漂移區(qū)摻雜濃度增大，其擊穿電壓將減小。由此可知，橫向場(chǎng)板長(zhǎng)度LFP與場(chǎng)板下方絕緣層厚度TFP的最優(yōu)值分別為1.6 μm 與0.3 μm。在此基礎(chǔ)上仿真漂移層摻雜濃度由1 × 1016cm-3逐步增大到9 × 1016cm-3時(shí)擊穿電壓的變化趨勢(shì)。圖9 中所顯示的仿真結(jié)果所對(duì)應(yīng)物理現(xiàn)象與上述理論相一致。此外，得出優(yōu)化后的最大擊穿電壓為840 V，其數(shù)值為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件（BV為350 V）的2.4 倍。其耐壓性能也優(yōu)于引言中已列舉的各種功率器件。雖然與Lei 等[10]所設(shè)計(jì)的場(chǎng)板型SBD 結(jié)構(gòu)相似，但本文中BV 提高了1.5 倍，其最有可能是最下面的襯底厚度不同導(dǎo)致。此外，仿真過程中所采用模型的參數(shù)設(shè)置也常導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生一定的差異?？傊瑥?qiáng)調(diào)采用橫向尺寸較大厚度較厚的場(chǎng)板型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要比保護(hù)環(huán)型及懸浮金屬環(huán)型結(jié)構(gòu)更有效。

圖9 漂移層ND 對(duì)擊穿電壓的影響Fig.9 Drift layer concentration ND influence on the breakdown voltage

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并仿真了帶有終端場(chǎng)板型結(jié)構(gòu)的GaN-SBD，借助Silvaco TCAD 軟件，分別驗(yàn)證了場(chǎng)板長(zhǎng)度、絕緣層厚度、GaN 漂移區(qū)摻雜濃度在不同條件之下對(duì)器件擊穿電壓的影響趨勢(shì)，最終通過優(yōu)化得出：當(dāng)LFP=1.6 μm，TFP=0.3 μm，ND=1 ×1016cm-3時(shí)，GaN-SBD 的BV 可達(dá)840 V。該器件特性參數(shù)與傳統(tǒng)型的相比提高了2.4 倍。本文相關(guān)結(jié)論將對(duì)GaN 基功率器件的深入研究及后續(xù)工藝制備等具有重要的參考意義。