復合漏電模型建立及階梯場板GaN肖特基勢壘二極管設計*

劉成 李明 文章 顧釗源 楊明超 劉衛華 韓傳余 張勇 耿莉? 郝躍

1) (西安交通大學微電子學院,西安市微納電子與系統集成實驗室,西安 710049)

2) (西安交通大學電氣工程學院,西安 710049)

3) (西安電子科技大學微電子學院,西安 710071)

準垂直GaN 肖特基勢壘二極管(SBD)因其低成本和高電流傳輸能力而備受關注.但其主要問題在于無法很好地估計器件的反向特性,從而影響二極管的設計.本文考慮了GaN 材料的缺陷以及多種漏電機制,建立了復合漏電模型,對準垂直GaN SBD 的特性進行了模擬,仿真結果與實驗結果吻合.基于此所提模型設計出具有高擊穿電壓的階梯型場板結構準垂直GaN SBD.根據漏電流、溫度和電場在反向電壓下的相關性,分析了漏電機制和器件耐壓特性,設計的階梯型場板結構準垂直GaN SBD 的Baliga 優值BFOM 達到73.81 MW/cm2.

1 引言

GaN 作為第三代半導體的代表,因其具有高擊穿場[1,2]、高電子飽和速度[3]等優異的物理特性,已經成為高頻、快速開關速度[4]、高工作溫度功率器件的理想選擇.垂直GaN 肖特基勢壘二極管(SBD)引入了更均勻的電場和電流分布,這使得高電流的良好傳輸成為可能[5],同時,在處理高擊穿電壓、低反向漏電流時,表現出更大的優勢[6].然而,由于垂直GaN SBD 器件襯底成本高,限制了其商業發展,因此,在藍寶石襯底上生長的準垂直GaN SBD 結構受到廣泛關注.

漏電流是準垂直GaN SBD 反向特性的關鍵參數,漏電流仿真對于器件的優化非常重要.然而,與漏電流相關的物理模型的不準確性給準垂直GaN SBD 的設計帶來了很大的困難.在Bouzid等[7]的研究中,考慮受體陷阱對準垂直GaN SBD反向漏電流的影響,通過電流-電壓關系分析受體陷阱狀態的影響.然而,對10—5cm—2以上相對較高的反向電流密度所對應的相對較高電場的研究仍然缺乏.由于GaN 材料的大量缺陷和其他復雜的漏電機制,使用硅基器件物理模型模擬的反向漏電流表現出不可靠的值[8].因此,與漏電流相關的物理模型仍亟待進一步研究.本文深入研究了與GaN 功率器件相關的物理模型,基于所提出的新型復合器件漏電模型,模擬了SBD 的反向J-V曲線,其與Bian等[9]的實驗所得的反向J-V曲線非常吻合.這為本文后續提出并設計的階梯型場板(FB)準垂直GaN SBD 提供了重要手段和依據.

擊穿電壓是GaN SBD 的一個重要特性,許多研究團隊都在致力于提高器件的擊穿電壓.金屬場板是在幾乎不犧牲GaN SBD 正向特性的前提下提高其擊穿電壓的一種重要終端結構[10,11].傳統平面場板可以有效提高GaN 功率器件的擊穿電壓[6,12],然而,平面場板結構展寬耗盡層、改善電場分布的能力難以與器件電學性能的期望相匹配.階梯型場板結構作為復合場板結構的代表,是提高器件擊穿電壓的更好選擇.

2 準垂直GaN SBD 的復合漏電模型

2.1 器件漏電機制的物理模型

本研究結合若干已有的GaN SBD 漏電流測試結果,從適用于GaN 功率器件的仿真模型[13,14]獲得如表1 所列的GaN SBD 復合漏電模型,并選取其中關鍵物理模型進行說明.

表1 GaN SBD 漏電模型及應用范圍Table 1.Summary of GaN SBD leakage current simulation models.

不完全電離模型主要用來描述GaN 中摻入的雜質不能完全電離的現象.因為半導體中載流子濃度高,降低了雜質的活化能,電離能(ΔED/A)與載流子濃度的關系模型公式為

式中,ΔED,0和ΔEA,0是低摻雜水平下的施主和受主電離能,ND+和NA-是原始受主和施主電離對應物的濃度,電離率(αn和αp)的值均設置為3.4 ×10—6meV·cm[15].

考慮到GaN 中的缺陷[16],本文采用陷阱輔助隧穿(PAT)模型來更準確地描述載流子傳輸過程,其中,電子從金屬-半導體界面處的陷阱能級激發并隧穿進入GaN SBD 中的導帶[17].接下來本文通過定義受主陷阱能級及能量密度和能級位置來描述GaN SBD 的聲子輔助隧穿過程.

在肖特基勢壘隧穿(SBT)模型中,通過假設肖特基勢壘表面存在缺陷,使得肖特基勢壘變薄[18],從而增加了隧穿電流.隧穿電流JT是肖特基接觸附近的局部隧穿速率積分的函數,可以表示為

式中,Г(E)表示隧穿概率,E表示肖特基勢壘表面的載流子能量,fs(E)和fm(E)分別是半導體和金屬中的Fermi-Dirac 分布函數.

非局域隧穿(NT)模型主要用來描述能帶間載流子的隧穿行為,對于描述GaN SBD 的漏電流起主要作用[19,20].如器件中存在足夠高的電場,則局部能帶彎曲足以允許電子從價帶隧穿到導帶.為了檢驗SBT 模型和NT 模型對準垂直GaN SBD漏電流的影響,提取了仿真和實驗的反向J-V實驗測試曲線,實驗對比模型使用圖1(c)中插圖的結構[9],對比結果如圖1(a),(b)所示.從對比結果可以看出,SBT 模型和NT 模型分別修正了漏電流小于/大于10—3cm—3時對應的反向J-V曲線,通過這些模型的修正作用,使得到的反向J-V仿真曲線能較為全面地反映不同反向電壓下對應的漏電流傳輸情況.

GaN 飽和遷移率模型用于描述高電場下載流子的行為,其中,在高電場情況下,飽和遷移率vh,sat 設置為7 × 106cm/s.此外,Albrecht 模型[21]是通過在遷移率中定義“albrct.n”來選擇的,主要用于描述低電場中載流子的輸運過程,這使得模擬結果與實驗結果之間具有更好的一致性.

2.2 復合漏電模型的驗證

為了驗證本文提出的復合漏電模型的有效性,將采用復合模型仿真得到的反向J-V曲線與從文獻[9]中對應結構的漏電流測試曲線進行了比較,如圖1(c)所示,兩者匹配很好,證明了所提復合漏電模型的合理性和準確性.

圖1 準垂直GaN SBD 關鍵仿真模型 (a) SBT 模型;(b) NT 模型;(c) 準垂直GaN SBD 的仿真和文獻[9]提取的反向J-V 實驗測試曲線比較,插圖給出了仿真的器件結構Fig.1.Key simulation model of quasi-vertical GaN SBDs:(a) SBT model;(b) NT model;(c) simulated and related experimental reverse J-V curves of the quasi-vertical GaN SBD schottky diode with the same structure as Ref.[9],the inset shows the simulated devicestructure.

3 準垂直GaN SBD 的設計

3.1 器件結構

在準垂直GaN 器件的實際功率應用中,需要保證器件的擊穿電壓足夠高.降低n—GaN 層摻雜濃度是提高準垂直GaN 器件擊穿電壓的有效途徑,但不可避免地會增大器件的導通電阻,影響器件的正向特性.為了提高準垂直GaN SBD 的擊穿電壓,本文對幾種場板結構進行了比較和討論.

圖2 顯示了幾種不同場板結構仿真的準垂直GaN SBD 的截面.在藍寶石襯底上先構建摻雜濃度為5 × 1018cm—3的1 μm 厚n+GaN 層,然后構建摻雜濃度為8 × 1015cm—3的5 μm 厚的n—GaN漂移層,器件長度均為300 μm,陽極電極長度為80 μm,陰極長度為40 μm.為了減輕n—GaN 漂移區側壁的局部電場集中效應并削弱深刻蝕工藝帶來的刻蝕深度誤差,在器件結構的設計過程中考慮了兩步刻蝕工藝.第一步刻蝕深度為1.4 μm,第二步腐蝕深度為3.6 μm,器件表面淀積的鈍化層厚度為300 nm.

圖2(a)展示了不含任何終端結構的常規器件結構.在圖2(b)展示了平面型場板結構,其中金屬場板設計在Ni/Al 肖特基陽極和鈍化層周圍.而SiO2/Si3N4鈍化層結合了Si3N4的高臨界擊穿場強和SiO2的高穩定性、高強度的優點[22,23],是準垂直型GaN SBD 鈍化層的一種可行選擇.圖2(c)給出了接觸型場板GaN SBD 的結構圖,其中金屬場板與鈍化層接觸,可以通過與平面型場板結構進行比較,可獲得金屬場板與鈍化層的相對位置對器件反向電學特性的影響.為了進一步減小n—GaN漂移區邊緣的電場集中效應,本文提出了圖2(d)所示的階梯型場板結構,通過與圖2(b)所示的平面型場板結構對比,來驗證階梯型場板結構對于改善準垂直SBD 器件反向電學特性的有效性.

圖2 準垂直GaN SBD 截面示意圖 (a) 無場板結構;(b) 平面型場板結構;(c) 接觸型場板結構;(d) 階梯型場板結構Fig.2.Cross-sections of different quasi-vertical GaN SBDs:(a) Without FP;(b) with plane FP;(c) with contacted FP;(d) with stepped FP.

3.2 不同場板結構的反向特性

圖3(a)顯示了不同場板結構的準垂直GaN SBD 的電流密度J與反向電壓V的關系.將反向漏電流密度為1 A/cm2對應的反向電壓設置為器件的擊穿電壓.當反向電壓大于—300 V 時,與其他帶場板結構相比,階梯型場板結構反向漏電流降低2—4 個數量級,反向擊穿電壓明顯改善.相對于圖3(b) 平面型場板結構,階梯型場板結構的擊穿電壓有30 V 以上的提升;而相對于圖3(a) 的無場板結構,擊穿電壓更是提高了約230 V.此外,與傳統平面場板結構相比,階梯型場板結構僅需要多出幾個蝕刻步驟,不會顯著增加制造過程的復雜性.

然后對階梯型場板的結構幾何參數進行優化,以改善準垂直GaN SBD 的反向電學特性.采用控制單一變量的方法,依次改變階梯型場板的階梯高度和寬度,得到如圖3(b)的數據結果.由此可看出,當階梯型場板的階梯高度和長度分別取0.1 μm和10.0 μm 時,反向擊穿電壓(BV)達到最大值.

圖3 (a) 不同場板終端結構的準垂直GaN SBD 的反向J-V 特性曲線;(b) 階梯型場板結構的幾何參數與擊穿電壓的關系曲線(插圖展示了階梯型場板的結構示意圖)Fig.3.(a) Reverse J-V curves of the quasi-vertical GaN SBDs with various FP structures;(b) breakdown voltage of the stepped FP structure versus its geometric parameters,the inset shows the schematic diagram and geometric parameters of the stepped FP.

3.3 電場分布

圖4 展示了不同場板終端結構的準垂直GaN SBD 在—550 V 反向電壓下的電場分布圖.圖4(a)展示了不含任何終端結構的常規器件結構;圖4(b)為平面型場板結構,金屬場板設計在Ni/Al 肖特基陽極和鈍化層周圍.圖4(c)給出了接觸型場板結構圖,其中金屬場板與鈍化層接觸.圖4(d) 為本文提出的階梯型場板結構.由電場分布圖可以看出,階梯型場板結構中n—GaN 漂移層的電場分布更加均勻,電場集中效應明顯改善.由此推斷,階梯型場板具有較強的展寬耗盡層寬度的能力,從而有效降低器件表面和邊緣的局部電場集中效應,使得最容易發生擊穿的器件表面和邊緣的電場分布得以改善,避免了器件過早擊穿.

圖4 不同場板終端結構的準垂直GaN SBD 的電場分布圖 (a) 無場板結構;(b) 平面型場板結構;(c) 接觸型場板結構;(d) 階梯型場板結構;(e) 不同場板終端結構GaN SBD 的n—GaN 漂移層電場分布曲線Fig.4.Electric field distribution diagrams of the quasi-vertical GaN SBDs with various FP structures:(a) Without FP;(b) with plane FP;(c) with contacted FP;(d) with stepped FP;(e) electric field distribution curves of n—GaN layers for different FP structures.

如圖4(e)所示,本文沿著肖特基電極與n—GaN漂移層的界面處給出了幾種場板結構中n—GaN漂移層的電場分布曲線.在高反向電壓下,階梯型場板通過引入次級電場峰值來降低整體電場峰值.此外,在階梯型場板結構中,SiO2/Si3N4鈍化層承擔了更多的電場分量,降低了n—GaN 漂移層需承擔的電場分量.由于SiO2/Si3N4鈍化層電場峰值對應的電場強度遠小于Si3N4的臨界擊穿場強(5—10 MV/cm)[24,25],而Si3N4的臨界擊穿場強明顯大于GaN 的臨界擊穿場強(3.3 MV/cm)[26],因此階梯型場板可以起到降低n—GaN 層的峰值電場強度、保護n—GaN 漂移層的目的.

3.4 漏電機理分析

GaN SBD 中存在的位錯/缺陷使得器件的漏電流機制復雜,常見的漏電機制包括 Poole-Frenke發射(Poole Frenke emission,PFE),變程跳躍(variable range hopping,VRH),空間電荷限制(space charge limited,SCL),Fowler-Nordheim隧穿 (Fowler-Nordheim tunneling,FNT)等,這些漏電機制的漏電流與反向電壓V、電場E和溫度T的冪指數等有一定的關系.具體漏電機制可以通過確定漏電流與反向電壓V、電場E和溫度T的線性依賴關系來確定.本文主要基于階梯型場板結構準垂直GaN SBD 的反向J-V曲線仿真結果,分析準垂直GaN SBD 的主要漏電機制.在高電場下,本文主要考慮了PFE,肖特基勢壘隧穿(Schottky barrie tunneling,SBT)和FNT 等漏電機制.

基于PFE 機制的漏電流可以描述為[27]

由ST 機制決定的漏電流為

基于FNT 機制的漏電流可以表示為[28,29]

式中,E代表n—GaN 漂移層的最大峰值電場強度.

圖5(a) 為—330 V 以上的高反向電壓下,PFE 機制對應的ln(I/E)與E1/2,ST 機制對應的ln(I/T2)與E1/2的線性依賴關系圖.可以看出ln(I/E)與E1/2,ln(I/T2)與E1/2均呈線性關系,分別符合(3)式和(4)式所對應的漏電流表達式,證明存在PFE與SBT 漏電機制.圖5(b) 為在—330 V 以上的高反向電壓下,FNT 機制對應的ln(I/E)與—1/E的線性依賴關系,可以看出 ln(I/E)與—1/E也呈線性關系,與(5)式對應的漏電流表達式相符,說明了FNT機制在—330 V 以上高反向電壓下起作用.根據以上分析可知,在高電場下,PFE,SBT 和FNT 機制是準垂直GaN SBD 主要的漏電機制.

但是,當施加的反向電壓低于—300 V 時,曲線開始偏離線性關系,表明上述漏電流機制組合不適用于反向電壓相對較低的情況.在較小的反向電壓下,漏電流與溫度T和反向電壓V的依賴性變強,熱電子發射機制成為主要的漏電流機制.假設熱電子發射是這種情況下的主要漏電機制,其對應的漏電流表達式為

式中,Δφ為鏡像力導致的勢壘高度的降低量,E為 電場強 度,?s為GaN 的介 電常數,φb為勢 壘高度.對 (6) 式和(7) 式求對數可得到

由 (7) 式和 (8) 式可知當熱電子發射機制起主要作用時,有.如圖5(c)所示,在30 V以下對應的低反向電壓下,lnI和E1/2呈線性函數,說明熱電子發射為主要的漏電流機制.如圖5(d)所示,在200—400 K 的溫度范圍內,肖特基勢壘高度Φb(0.72 eV)可以根據lnI與1000/T的線性關系曲線的斜率來表示計算.

圖5 線性依賴關系圖 (a) PFE 機制對應的ln(I/E)與E 1/2 和SBT 機制對應的ln(I/T 2)與E 1/2;(b) 高反向電壓—580——330 V 時,FNT 機制對應的ln(I/E 2)與—1/E;在低電場及反向電壓小于—300 V 下,熱電子發射機制對應的 (c) ln I 與E1/2 和(d) lnI與1000/T 關系;在中等電場強度及反向電壓—300— —120 V 下,VRH 機制對應的 (e) lnJ 與 E,(f) lnJ 與T —5/4 關系(對應的溫度范圍為200—400 K)Fig.5.Plots of (a) ln(I/E) versus E 1/2 for PFE and ln(I/T 2) versus E 1/2 for SBT;(b) ln(I/E 2) versus —1/E for FNT under high reverse voltages from —580 V to —330 V;(c) ln I versus E 1/2 for thermal emission under small reverse voltages of lower than —300 V;(d) temperature (200—400 K) dependent plot of ln I versus 1000/T;(e) lnJ versus E and (f) lnJ versus T-5/4 (200—400 K) for VRH under medium high reverse voltages from —300 V to —120 V.

在—120— —330 V 對應的中等反向電壓下,VRH機制用來描述載流子從一個深能級到另一個深能級可變范圍跳變的物理過程,也可能在漏電機制中起重要作用.VRH 機制所描述的漏電流的表達式為[9]

式中,J(0)是零電場對應的電流密度,T0是GaN材料中與缺陷態密度相關的特征溫度,E為電場,e為電子電荷,C為常數,a是電子波函數的局域半徑.

為了驗證VRH 機制的有效性,本文在反向電壓為—120— —300 V 的條件下求反向漏電流密度的對數值lnJr與E和T—5/4的函數關系.如圖5(e),(f)所示,lnJr與E以及T—5/4呈線性關系,證明了VRH機制是中等強度電場下GaN SBD 主要的漏電機制.

3.5 器件電學特性總結

最后,本文進行階梯型場板結構的正向J-V特性仿真,并得到如圖6(a)所示的正向J-V特性曲線.在2 V 的正向電壓下,階梯型場板結構達到了超過300 A/cm2的正向電流密度,電流擺幅約為11 個數量級,得到器件的比導通電阻Ron=4.6 mΩ·cm2.

圖6 (a) 含有階梯型場板終端結構GaN SBD 的正向J-V 特性曲線;(b) 多級階梯型場板終端結構GaN SBD 的正向J-V 特性曲線Fig.6.(a) Forward J-V curve of the stepped FP structure;(b) forward J-V curves of the quasi-vertical GaN SBDs with multi-stepped FP.

為了進一步說明階梯型場板結構對改善GaN SBD 電學特性的有效性,本文嘗試使用含有多個階梯的多級場板結構進行了進一步研究,得到的器件主要電學特性參數如表2 所列.可知,相對于不含階梯的場板結構,單級場板結構在幾乎不犧牲正向電學特性的前提下,可有效將擊穿電壓提升30 V 以上.對于多級場板結構,當增加階梯型場板的階數時,準垂直型GaN SBD 的擊穿電壓呈現略微上升的趨勢;然而器件的導通電阻明顯增大,正向電學特性呈現明顯惡化的趨勢,如圖6(b)所示.

表2 準垂直型GaN SBD 多級階梯型場板結構的主要電學參數Table 2.Key electrical parameters of quasi-vertical GaN SBDs with multi-stepped FP.

為了綜合考慮器件的整體電學特性,本文利用Baliga 優值BFOM(BV2/Ron)來描述正向電學特性和反向電學特性之間的折中關系.如表2 所列,單級階梯型場板結構顯示出最高的BFOM 值,整體電學性能最優.

3.6 器件性能對比

圖7 擬合了近些年來研究文獻[9,30-32]報道的藍寶石襯底的準垂直GaN SBD 擊穿電壓與導通電阻的散點分布圖.其中Li 等[33]報道的準垂直GaN SBD 中采用新型TiN 做肖特基金屬,并代替了傳統的Ni 金屬,最終得到的器件具有極低的導通電阻和高達119.05 MW/cm2的BFOM 值.Gupta等[34]報道通過在n—GaN 漂移區上添加p—GaN 帽層結構,使得器件的BFOM 高達104.49 MW/cm2,然而,GaN p 型摻雜的工藝技術難點限制了其廣泛應用.Bian 等[9,35]通過使用陽極選擇性F 離子處理工藝,使器件的BFOM 值從27.56 MW/cm2迅速提高至42.90 MW/cm2.

圖7 藍寶石襯底準垂直型GaN SBD 的擊穿電壓與導通電阻的對比圖(BFOM 單位為MW/cm2)Fig.7.Bench marking the break down voltage and on-resistance of quasi-vertical GaN SBDs on sapphire substrates.

本文通過引入階梯型場板結構,使準垂直型GaN SBD 的BFOM 得到了很大的提高,達到了73.81 MW/cm2,這說明階梯型場板結構在高擊穿電壓和低導通電阻之間取得了很好的折中,在準垂直GaN SBD 設計中,階梯型場板結構能夠有效改善器件電學特性.

4 結論

綜上所述,本文首先建立了器件的復合漏電模型,精準描述了準垂直GaN SBD 的反向J-V曲線.隨后,采用場板結構來提高GaN SBD 的擊穿電壓,基于構建的模型對準垂直GaN SBD 漏電模型和器件場板結構進行了設計和研究.結果表明,在不降低導通電阻的情況下,提出的階梯型場板結構的GaN SBD 的擊穿電壓得到了顯著提升.進一步分析表明,在高電場作用下,PFE,SBT 和FNT是準垂直GaN SBD 主要的漏電機制.同時,在中小電場下,熱電子發射和VRH 是主要的漏電機制.設計的單級階梯型場板結構準垂直GaN SBD 具有73.81 MW/cm2的高BFOM,性能優良的準垂直器件結構的研究和開發將顯著降低垂直型GaN SBD 器件的成本,便于推廣使用,提高其應用價值.