常青原,賈富春,李萌迪,侯 斌,楊 凌,馬曉華

(西安電子科技大學(xué),西安 710071)

0 引言

氧化鎵大禁帶寬度(Eg=4.8 eV)帶來理論上的高臨界擊穿場強(qiáng)(Ec=8 MV/cm)[1-2],再結(jié)合電子遷移率(μ=250 cm2/Vs)[3-5],使其在功率開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有高的品質(zhì)因數(shù)。除了這些優(yōu)異的材料性能外,大面積本征襯底可以用低成本的熔融法制造,同時(shí)也降低了材料缺陷密度[6],為氧化鎵器件的快速發(fā)展提供了額外的優(yōu)勢。但Ga2O3極易引入氧空位等施主能級,導(dǎo)致P型Ga2O3難以制備[7]。作為當(dāng)下研究熱點(diǎn)的垂直體系Ga2O3SBD,具有較高的高溫穩(wěn)定性和良好的耐輻照特性,使其能夠在高溫度、高功率、高輻照的條件下工作,從而保證了其長期的穩(wěn)定性和可靠性,因此在空間電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但SBD肖特基接觸邊緣存在電場集中效應(yīng),高效的電場管理十分具有挑戰(zhàn)性。目前國際上進(jìn)行電場調(diào)制的主流方法有:場板終端[8-9]、離子注入終端[10-12]、p-NiOx終端[7]等,但目前SBD臨界擊穿場強(qiáng)仍低于Ga2O3材料極限值。

本文提出采用p-GaN結(jié)終端延伸結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)SBD肖特基接觸邊緣電場分布,其優(yōu)勢在于P型GaN的P型摻雜濃度可具體表征、精確調(diào)控,可制備高質(zhì)量的P型區(qū)域[13],提高器件反向特性。在本次研究中通過Silvaco仿真對比了有無p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)的SBD正反向特性,同時(shí)探究了p-GaN區(qū)域厚度對SBD性能的影響。發(fā)現(xiàn)采用p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)的肖特基二極管擊穿電壓由880 V增加到1 349 V,p-GaN深度由0.3 μm增加到1.2 μm,器件擊穿電壓由1 349 V進(jìn)一步提升到1 685 V。通過仿真為流片實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

1 仿真參數(shù)設(shè)置

基于已有氧化鎵流片經(jīng)驗(yàn),并參考國際Dong等[14]報(bào)道器件結(jié)構(gòu),給出了器件三維結(jié)構(gòu)示意圖,將以此為依據(jù)設(shè)計(jì)器件仿真結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 肖特基二極管三維結(jié)構(gòu)示意圖及三維結(jié)構(gòu)剖面示意圖

圖1(a)和(b)分別為對照肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖1(c)和(d)分別為對照肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管三維結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

器件仿真結(jié)構(gòu)選用圖1(c)和(d)中黑色虛線框圈出的二維截面,具體如圖2所示。

圖2 肖特基二極管二維仿真結(jié)構(gòu)示意圖

器件仿真采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:200 nm厚、30 μm寬的陽極,10 μm厚、40 μm寬、摻雜濃度為1×1016cm-3的n--Ga2O3漂移層,2 μm厚、40 μm寬、摻雜濃度為1×1020cm-3的n+-Ga2O3層,200 nm厚、40 μm寬的陰極。對于p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管,p-GaN結(jié)構(gòu)參數(shù)為0.3 μm厚、15 μm寬、摻雜濃度為1×1018cm-3的p-GaN層。圖2中使用白色虛線對陽極邊緣位置和p-GaN邊緣位置在橫軸上進(jìn)行了標(biāo)注。

仿真模型參考了Arpit Nandi團(tuán)隊(duì)報(bào)道的Ga2O3JBS器件[15],在該篇報(bào)道中優(yōu)化模型參數(shù)后的Silvaco仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度一致性,證明了仿真軟件的精確性和本次仿真結(jié)果所具有參考價(jià)值。

2 仿真研究

2.1 p-GaN/n-Ga2O3 JTE結(jié)構(gòu)對SBD性能的影響

通過仿真得到對照Ga2O3肖特基二極管導(dǎo)通電壓為0.64 V(1 A/cm2),導(dǎo)通電阻為4.68 mΩ·cm2,擊穿電壓為880 V(10 A/cm2);0.3 μm p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管導(dǎo)通電壓為0.68 V(1 A/cm2),導(dǎo)通電阻為5.62 mΩ·cm2,擊穿電壓為1 349 V(10 A/cm2)。器件特性曲線如圖3所示。發(fā)現(xiàn)采用JTE的肖特基二極管反向擊穿電壓得到了顯著的優(yōu)化,增加了近一倍,但在相同正向陽極偏壓下,器件正向電流有所減小,這意味著器件導(dǎo)通電阻有所增加,器件正常開關(guān)工作過程中功耗增加。但相較于SBD反向擊穿電壓的巨大提升,正向特性的略微退化在可接受范圍內(nèi)。

圖3 對照Ga2O3肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3結(jié)終端延伸肖特基二極管正向和反向特性對比

2.2 p-GaN厚度對SBD性能的影響

為進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu),為后續(xù)器件設(shè)計(jì)提供實(shí)際指導(dǎo),接下來通過Silvaco仿真探究了p-GaN厚度(0.3 μm、0.5 μm和1.2 μm)對器件正反向特性的影響,仿真結(jié)果如圖4所示。發(fā)現(xiàn)通過增加p-GaN厚度,器件反向泄漏電流逐步降低,擊穿電壓可進(jìn)一步提升,由1 349 V進(jìn)一步提升到1 685 V,同時(shí)器件正向特性略有退化。通過仿真說明在實(shí)際器件制造中,可通過增加p-GaN厚度,對肖特基二極管正向特性和反向特性進(jìn)行折中設(shè)計(jì),通過略微舍棄器件正向特性來獲得反向特性的大幅提升。

圖4 不同p-GaN厚度對應(yīng)p-GaN/n-Ga2O3 JTE肖特基二極管的正向和反向特性對比

需要注意的是,在實(shí)際器件制備的過程中,p-GaN深度的增加給Ga2O3凹槽刻蝕帶來了新的挑戰(zhàn)。在相同的刻蝕配方下,更深的凹槽意味著刻蝕時(shí)間的加長。在此情況下,需要綜合考慮光刻膠厚度和p-GaN厚度,抑或是優(yōu)化刻蝕配方以獲得更高的刻蝕選擇比,在相同光刻膠厚度的條件下獲得更深的凹槽。

2.3 JTE結(jié)構(gòu)提升擊穿的內(nèi)在機(jī)理

為探究p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)提升器件擊穿電壓的內(nèi)在機(jī)理,運(yùn)用Silvaco軟件對-800 V偏壓下的對照肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管進(jìn)行了電場仿真研究,仿真得到器件在-800 V下的電場分布,如圖5所示。發(fā)現(xiàn)采用p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)后器件肖特基接觸邊緣的峰值電場由器件表面轉(zhuǎn)移到器件體內(nèi)并且其數(shù)值有所降低,由5.600 MV/cm降低到0.749 MV/cm。這意味著在相同的反向偏壓下,采用p-GaN/n-Ga2O3JTE的肖特基二極管電子更難被肖特基接觸邊緣存在的峰值電場加速造成雪崩擊穿,避免了器件的過早擊穿。

圖5 對照Ga2O3肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3結(jié)終端延伸肖特基二極管電場分布對比

3 結(jié)論

本文基于Silvaco TCAD-ATLAS仿真軟件,對照肖特基二極管和p-GaN/n-Ga2O3JTE肖特基二極管進(jìn)行了仿真研究,探究了p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)對肖特基二極管正反向特性的影響。發(fā)現(xiàn)通過采用p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu),肖特基二極管擊穿電壓由880 V(10 A/cm2)提升到1 349 V(10 A/cm2)。并且通過增加p-GaN厚度到1.2 μm,器件擊穿電壓進(jìn)一步提升到1 685 V,代價(jià)是正向?qū)娮璧穆晕⒃黾印Ｗ詈笸ㄟ^探究-800 V反向偏壓下器件內(nèi)部的電場分布,發(fā)現(xiàn)采用p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)后器件肖特基接觸邊緣的峰值電場由器件表面轉(zhuǎn)移到器件體內(nèi)并且其數(shù)值有所降低,由5.600 MV/cm降低到0.749 MV/cm。解釋了p-GaN/n-Ga2O3JTE結(jié)構(gòu)提升器件擊穿的內(nèi)在機(jī)理。為了得到最優(yōu)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù),下一步工作需要對p-GaN的摻雜濃度及p-GaN與陽極的交疊深度對器件特性的影響進(jìn)行仿真研究。