一种阳极连接P型埋层的AlGaN/GaN肖特基二极管

孙友磊，唐健翔，王 颖，黄意飞，王文举

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

最近，AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD)受到了越来越多的关注。该器件具有关断速度快、击穿电压高、导通电阻小等特点，因而被业界广泛地认为是下一代功率器件的候选者[1-6]。但是，目前对AlGaN/GaN SBD器件的研究并不是很成熟，该器件仍然存在着众多尚未解决的问题，例如开启电压高、阳极泄漏电流严重、击穿电压低等问题。针对这些问题，国内外研究机构做了一系列研究，例如为了降低AlGaN/GaN SBD的开启电压，采用刻蚀阳极势垒层的技术[6]和选择性Si扩散的方法[7]等。为了抑制二极管的阳极泄漏电流，研究出双金属阳极[8]、C掺杂背势垒层[9-10]和栅极终端(GET)[11-12]等结构。为了调制二极管表面的电场分布，横向阳极场板结构[13]以及阳极垂直场板结构[14]等都起到了很好的作用。尽管这些技术对AlGaN/GaN肖特基二极管的性能有一定的改善作用，但是该器件所存在的阳极泄漏严重、击穿电压低等问题依然存在。因此，本文针对二极管阳极泄露严重的问题在传统的GaN GET SBD器件结构基础上提出了一种改进结构 阳极连接P型埋层并结合场板的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管结构 AlGaN/GaN SBD with the anode connected P-buried layer combined with field plates(AC-PBL FPs SBD)。在该结构的缓冲层中生长了P型GaN埋层并与二极管的阳极相接触，同时在二极管的阳极和阴极两处都加上场板。在二极管处于关断状态时，P型埋层可以有效地阻挡从阳极肖特基结泄漏的电子，进而降低二极管的泄漏电流。同时，阳极肖特基结处、P型埋层、GaN沟道层、阴极欧姆接触之间构成一个PiN二极管，使得P型埋层可以有效地抑制阳极漏电，并辅助耗尽器件沟道中的二维电子气(2DEG)，扩展器件的空间电荷区，达到提高器件的击穿电压的效果。而在二极管开启时，由于P型埋层距离沟道较远，因而对器件的导通特性影响较小，所以器件可以获得较大的Baliga优值。

1 器件结构及参数

1.1 器件结构

图1分别是GET SBD、AC-PBL FPs SBD结构示意图。

这两个器件有着相同的器件尺寸，图1(a)GET SBD器件从下往上依次是GaN底层缓冲层、GaN中间缓冲层、非故意掺杂GaN沟道层和AlGaN势垒层。钝化层和阳极的终端介质层都选用Si3N4材料，厚度分别是100 nm和20 nm[15]。在仿真中没有加入衬底，因此在器件结构中也没有给出器件的衬底。AlGaN势垒层中的Al组分设定为0.25。为了获得较低的二极管开启电压，器件阳极区域的钝化层和势垒层完全刻蚀，然后在刻蚀区域积淀肖特基金属和GET部分。在器件生长过程中会不可避免的引入施主离子，所以在仿真过程中所有的GaN层中都设定了1×1016cm-3浓度的施主离子来模仿背景载流子。这些背景载流子的存在将会增大AlGaN/GaN肖特基二极管的缓冲层漏电。因此，本研究在仿真中把器件的缓冲层了加入了受主陷阱。中间缓冲层的受主陷阱浓度设定为2×1016cm-3，底层缓冲层设定为4×1018cm-3[16]。这些受主陷阱既可以中和背景载流子又可以有效地抑制器件的缓冲层漏电；而将GET SBD器件的缓冲层分为两层[10]，则是为了让具有高浓度陷阱的底层缓冲层远离沟道层，从而降低对二极管正向导通电阻的影响。与GET SBD器件相比，AC-PBL FPs SBD器件的缓冲层受主陷阱浓度都设置为2×1016cm-3，此外在中间缓冲层里生长了一层的P型GaN埋层并于肖特基阳极相连接，同时在二极管的阳极和阴极两处都加上了场板，剩余器件参数都和GET SBD器件一样，如表1所示。

表1 器件主要参数

1.2 工作原理

AC-PBL FPs SBD器件主要提升GET SBD器件的关断特性，其原理为当器件关断时，二极管的阳极会出现电场集中效应，使得阳极肖特基结处的漏电增大，在阳极处发生雪崩击穿，导致器件被提前击穿，耐压得不到提高。而在缓冲层里加入P型埋层并与阳极短接之后，阳极肖特基接触、P型埋层、沟道层、阴极欧姆接触就构成可一个反向偏置的PiN二极管，阳极的泄漏电流会被P型埋层有效抑制。此外，P型埋层还可以辅助耗尽沟道中的2DEG，使得器件的空间电荷区进一步扩展。当P型埋层中的空穴被耗尽后可以留下不可移动的负电荷，这些电荷可以进一步调制器件的表面电场，进而提高击穿电压。而在阳极和阴极处都加上场板结后，可以有效地降低阳极和阴极处的电场峰值，配合P型埋层结构，可以使得击穿电压得到更大的提高。

2 电学特性仿真与分析

本文所有的电学特性仿真与结果分析均是用Sentaurus TCAD仿真软件和Origin数据处理软件完成。

2.1 导通特性

图2是GET SBD器件和AC-PBL FPs SBD器件在导通时是阳极电流特性曲线。

从图2可以看出，AC-PBL FPs SBD器件的开启电压VT为0.36 V，和GET SBD器件的0.53 V相比，开启电压降低了0.17 V。这主要是因为在AC-PBL FPs SBD器件中，底层缓冲层的受主陷阱浓度被降低到2×1016cm-3，因此器件的开启电压得到了降低。但是器件的正向导通电阻并没有相应地减小，反而略有增加，原因是在AC-PBL FPs SBD器件中，高浓度的P型GaN埋层距离沟道太近，在正向导通时对沟道中的电子产生了影响作用。从图上可以看出，AC-PBL FPs SBD器件的正向导通电阻Ron为5.78 Ω·mm，比GET SBD器件的导通电阻大了0.16 Ω·mm，因而正向特性略有牺牲，但是开启电压得到了降低。

2.2 击穿电场分布特性

图3是GET SBD和AC-PBL FPs SBD器件在击穿时表面的电场分布图。为了进一步验证是P型埋层对提升器件的耐压起了主导性作用，在图3中还增加了有场板的GET SBD(GET FPs SBD)器件的表面电场击穿特性曲线图。

从图中可以看出，在器件击穿时，GET SBD器件的表面电场主要集中在二极管的阳极位置，当器件达到213 V时，器件的阳极击穿电场数值达到了3.3 MV·cm-1，过了阳极之后，GET SBD器件的表面电场开始下降直到趋近于零。所以在器件的漂移区，器件表面的电场值很低，因而器件的击穿电压很低。究其主要原因是因为阳极的泄漏电流比较大，导致沟道中的2DEG不能被完全耗尽，所以该器件的空间电荷区面积很小，能承担的耐压就很小。

在GET FPs SBD器件中，因为有场板的作用，所以器件阳极右侧有多了表面电场峰值，而器件的整个漂移区电场值也有了一定的提高，击穿电压也提升到了320 V。但是与理论击穿电压相比，该器件的耐压还相差甚远，主要原因和GET SBD器件一样，阳极泄漏导致沟道中的2DEG不能够完全耗尽，所以击穿电压得不到提升。

在AC-PBL FPs SBD器件中，不仅在阳极有了电场峰值，在阴极也出现了电场峰值，这表明P型埋层的加入抑制了器件阳极的泄漏电流，进而辅助耗尽了器件沟道的2DEG，所以空间电荷区得以向阴极区域扩展，进而在阴极处也产生了电场峰值。而且在漂移区3 μm的位置也出现了微小的电场峰值，这主要是P型埋层中的负电荷所引起，P型GaN埋层中的负电荷也有调制器件表面电场的作用，所以该器件的整个漂移区电场分布都得到了抬高，因此器件的击穿电压得到了提高。另外，有了场板的作用，使器件的阳极电场得到了降低，进而阳极泄漏就得到了降低，同时在阴极处又引出了一个相同峰值的电场，所以器件的最终击穿电压被提高到733 V，与GET SBD器件相比，耐压提高了约3.4倍。

2.3 电势分布

图4是GET SBD器件和AC-PBL FPs SBD电势分布图。

对比两个器件的电势分布很容易看出，在AC-PBL FPs SBD器件中电势线分布的非常均匀，与GET SBD器件相比，因为阳极有场板的存在，调制了阳极的电场集中效应，所以电势线分布也不再集中，反而相对均匀。从漂移区的中间位置到阴极区域在原来的GET SBD器件中电势分布的非常稀疏，这表明这段区域中沟道电子没有被耗尽，没有产生空间电荷区。加上P埋层之后，P埋层辅助耗尽了沟道的电子，因而空间电荷区得以向阴极处扩展，因此器件的电势线分布也变得非常密集且均匀，所以器件的耐压得到了提高。

2.4 电流密度分布

图5是GET SBD和AC-PBL FPs SBD器件在击穿时，沟道中电子浓度的分布情况。从图中可以看出，相比于GET SBD器件，AC-PBL FPs SBD器件的沟道中电子已经几乎被耗尽，这就说明P埋层有抑制阳极漏电和辅助耗尽了沟道的2DEG的作用，使得器件的空间电荷区扩展到阴极区域，因而器件的击穿电压得以提高。

另外，当有P埋层存在时，器件的缓冲层中也有较高浓度的电子，这表明部分从阳极泄漏的电子被缓冲层所捕获，进而抑制了二极管的阳极泄漏电流。而在GET SBD器件的缓冲层中，电子浓度相对较低，这就表示在GET SBD器件中具有高浓度受主陷阱的缓冲层没有充分地发挥抑制阳极漏电的作用。而P埋层的存在更有助于缓冲层抑制器件阳极泄漏的电子，进而提高器件的耐压。

3 参数优化

图6是讨论了P埋层的长度Ld以及P埋层到沟道层的距离Ts对器件击穿电压的影响。从图中可以看出无论Ts怎么变化，器件的击穿电压都会随着Ld的增长而增大。因为当Ld增长时，P埋层对阳极的泄漏抑制作用和对沟道电子的辅助耗尽作用就越强，所以器件的耗尽区就越长，因而器件的击穿电压就会越大。但是Ld的长度也不是越长越好，因为从上面的电场分布可知，器件在阴极的电场峰值最高，如果Ld的长度不断增长，则会使得二极管阴极处的电场继续升高，继而导致器件提前在阴极处被击穿。因而P埋层的最终长度还需结合阴极处的电场分布综合考虑。

图7就是讨论了Ts为0.2 μm时，随着Ld的增长，器件表面电场强度分布情况。从图上可以看出当Ld从1 μm逐渐增加到3.5 μm时，器件的表面电场逐渐被抬高，尤其是阴极区域，电场曲线下的面积逐渐增大，这就表示器件的击穿电压随着Ld的增长而增大，与图6中的分析结果一致。但是观察阴极处的电场可知，当Ld的长度达到3 μm时，器件在阴极处的电场强度已经达到了临界击穿电场，因而当Ld超过3 μm时，再增加Ld的长度是没有意义的，因而对Ld的优化结果最终确定为3 μm。

另外，在图6中还展现了Ts与器件击穿电压之间的关系，但是从图中可以看出，当Ts从0.05 μm增加到0.3 μm时，器件的击穿电压变化并不是很大。在Ld为3 μm时，Ts从0.05～0.3 μm所对应的击穿电压依次为729.6 V、723.2 V、723.5 V、732.7 V、723.2 V和717.9 V，器件的击穿电压变化区间在15 V左右，在Ts为0.2 μm时，击穿电压最高为732.7 V。但是Ts的大小还应该考虑对器件正向特性的影响之后才能确定。

图8和图9分别是Ld为3 μm时，参数Ts与器件的导通电阻、特征导通电阻、击穿电压以及器件的Baliga优值之间的变化关系。从图8可知，器件的导通电阻随着Ts的增大而减小，这证明P埋层距离沟道很近的情况下，会对沟道中的电子产生影响，导致在正向导通时，器件的导通电阻增大。在0.05 ～0.2 μm的区间，器件的导通电阻随Ts的变化，下降的幅度很大，而在Ts超过0.2 μm后，器件的导通电阻下降幅度趋向平缓，这表明在P埋层距离沟道的距离在超过0.2 μm后，对沟道中电子的影响就变得很微小。这个趋势在特征导通电阻中表现的更明显，图8中Ts在0.2 μm、0.25 μm和0.3 μm时器件的特征导通电阻几乎没有变化，分别是5.78 Ω·mm、5.77 Ω·mm和5.76 Ω·mm，但是还不能确定哪个值才是最优值。

从图9中可以看出，当Ts的值发生变化时，器件的击穿电压和器件的优值都发生了对应的变化，总体变化趋势是先降低后增高然后再降低，因此器件的击穿电压和优值都出现了一个最大值点。从图中可看到这个最值点所对应的Ts值为0.2 μm，此时的器件击穿电压VBK为733 V，而对应的优值BFOM为1.62 GW·cm-2。因此参数Ld和Ts最终优化值分别是3 μm和0.2 μm。在这两个参数下，由图3～图10可知器件的开启电压VT为0.36 V。综上，可得出与GET SBD器件相比，P埋层GaN肖特基二极管在略微增加了导通电阻的前提下，大幅度地提升了器件的击穿电压，同时还降低了器件的开启电压。

4 结束语

本文提出了一种AlGaN/GaN SBD器件新结构AC-PBL FPs SBD。该结构主要是为了改善传统GET SBD器件存在的阳极漏电严重的问题，进而提高器件的击穿电压。当器件处于反向偏置时，肖特基结处、P型埋层、沟道层和欧姆接触形成一个反向偏置的PiN二极管，可以有效抑制阳极漏电，同时辅助耗尽沟道中的2DEG。此外P型埋层中的负电荷，以及阳极和阴极处加的场板，可以有效地调节漂移区和两个电极上的电场，使得器件的表面电场得以抬高，分布的更加均匀，从而提高器件的耐压(从213 V提高到733 V)。而器件的正向特性并未因为加了P埋层而恶化，正向导通电阻仅仅增大了0.16 Ω·mm，此外，由于将器件的底层缓冲层中受主陷阱的浓度降低了，器件的开启电压得到了降低，从0.53 V降低到0.36 V。因此，综合击穿电压，器件的Baliga优值从0.14 GW·cm-2提高到1.62 GW·cm-2。