高击穿电压复合介质结构垂直GaN 基PN 二极管优化设计

赵智源，杜江锋，刘 勇，于 奇

(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 610054)

随着硅基功率二极管的研究逐渐成熟，其性能几乎接近硅的理论极限。第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料和器件具有高击穿电场、低导通电阻和高开关速度等明显优势，在未来大功率器件和高频功率电子系统中具有巨大的发展潜力。特别是随着高质量自支撑衬底GaN 外延材料技术的快速发展，GaN 垂直结构耐压功率器件的研究获得了广泛关注[1-6]。然而在垂直GaN 基PN 二极管高耐压器件工作时，PN 结边缘处不可避免地会产生电场拥挤现象，明显限制了器件击穿电压的提升。目前主流的解决方案是采用浮空场限环(FLR)、结终端扩展(JTE)等技术来缓解PN 结边缘的电场拥挤现象[7-13]，但工艺版图复杂、Mg 掺杂激活率低从而导致p-GaN 实现困难，限制了上述技术的应用。基于以上背景，本文提出了一种新型复合介质结构的垂直GaN 基高耐压梯形二极管，该新结构器件的特点是通过在PN 结的外侧引入复合介质层，从而在二极管的漂移区内部产生一个新的电场峰值来调制器件的电场分布。相比其他结终端的结构，该结构优势在于可以在提升器件耐压的同时，不影响器件的正向导通特性。

1 器件结构与仿真

具有双层复合介质结构的垂直GaN 基梯形二极管的横向截面图如图1 所示。该复合介质结构由一层高介电常数的材料(Si3N4)和一层低介电常数的材料(SiO2)组成并纵向排列于有源区的两侧。二极管中p型掺杂区厚度为0.5 μm，掺杂浓度为3 ×1017cm-3。n型掺杂区的厚度为15.5 μm，掺杂浓度定义为Nnc。图1 中的关键参数含义阐述如下:T为PN 结界面与复合介质层界面之间的高度差，L为复合介质层的长度，n型掺杂区的横截面形状为梯形，其上底和下底的长度分别定义为Lpn(up)和Lpn(down)，大小分别为7 μm 和10 μm，Tpn是外延层的总厚度，梯形的底角定义为θ。在工艺上考虑采用光电化学(PEC)刻蚀的办法实现深槽刻蚀[23]，PEC 刻蚀利用带隙紫外线照射GaN 材料产生载流子，同时外加电压驱动光生空穴至GaN 表面，从而氧化GaN 并将其溶解在酸性或碱性溶液中实现刻蚀。该方法具有刻蚀损伤小，界面质量好，可以实现高深宽比的深槽刻蚀等优点。完成PEC 刻蚀后，再通过PECVD 在深槽中填充介质实现复合介质结构[24]，具备一定的可行性。

根据高斯定律，在介质常数K 不同的介质界面处，电场强度满足Maxwell 方程:

式中:εSi3N4和εSiO2分别为Si3N4和SiO2的相对介电常数，ESi3N4和ESiO2分别为Si3N4和SiO2介质内部在界面处的电场强度大小。由式(1)可知，由于介电常数在界面处的突变，电场强度在介质界面处不连续且比值与介质的介电常数大小比值成反比。在介质-半导体界面附近，半导体内部电场强度与介质层内部电场强度同样满足式(1)，因此在低介电常数介质附近的半导体内部电场强度较高，而在高介电常数介质附近的半导体内部电场强度较低。又因在半导体的内部电场分布是连续的，因此在复合介质层的界面附近，半导体的内部电场存在由低到高的陡升现象，表现为一个新的电场峰值出现在漂移区的内部靠近Si3N4和SiO2介质界面的附近，从而达到调节PN 二极管漂移区内部电场分布使其更加均匀的目的。

图1 复合介质GaN 基梯形二极管横截图Fig.1 Schematic cross-section of trapezoidal GaN PN diode with a compound dielectric

图2 为利用Silvaco TCAD 仿真工具仿真得到的器件内部电场分布图，图2(a)、(b)、(c)分别为普通GaN 基PN 二极管、GaN 基梯形二极管以及复合介质结构GaN 基梯形二极管在发生雪崩击穿的瞬间器件内部的电场分布。可以发现相比于图2(a)、(b)中没有复合介质层的二极管结构，图2(c)中具有高/低K 介质层的二极管的漂移区内部存在一个新的电场峰值，与之前理论分析的结果符合，说明了该复合介质层调节电场分布的有效性。

上述三种结构在PN 结边缘处沿垂直方向的电场分布曲线如图3 所示。相比于普通结构的垂直二极管和梯形二极管，该复合介质结构梯形二极管在Si3N4和SiO2介质界面处存在一个新的电场峰值。漂移区内部的电场分布曲线从整体上被拉高且器件的漂移区内部电场分布相比没有复合介质层结构的二极管更加均匀。

图2 (a) GaN 基的垂直二极管；(b) 梯形二极管；(c) 复合介质梯形二极管在击穿时的内部电场分布图像Fig.2 Electric field distribution of (a) GaN vertical diode，(b) trapezoidal diode and (c) trapezoidal diode with a compound dielectric

图3 三种不同结构二极管的内部电场分布曲线Fig.3 Electric field profiles of three different structures of diodes

2 优化与结果分析

为了探究该复合介质结构GaN 基梯形二极管的极限耐压性能，关键结构参数如PN 结界面与复合介质层界面之间的高度差T、复合介质层的长度L、n 型掺杂区的浓度Nnc以及梯形的底角θ等通过仿真得到了优化，并根据优化结果给出了器件的耐压最优值。为了进一步提升该复合介质层结构提升耐压的作用，具备三层介质的复合介质结构的垂直GaN 基梯形二极管结构被提出并给出了部分参数的优化结果。

图4 为基于击穿电压对结构参数中的L和T进行仿真优化的结果。在L为10 μm 时，击穿电压BV 随着T的增加而增加，在T=5 μm 时BV 达到最大值，之后再随着T的增加而减少。因此取5 μm 为T的优值。从插图中可以看出，在T为5 μm 时，击穿电压BV 随着L的增加而增加，且在L增加到10 μm 后达到了饱和区。因此取L=10 μm 为优值。最终该复合结构在T=5 μm，L=10 μm 时二极管的耐压达到最大值。

图4 击穿电压(BV)随着L 和T 的变化曲线Fig.4 Breakdown voltage change curves with L and T

图5 为保持L和T不变对底角θ和漂移区掺杂浓度Nnc的优化结果。图5(a)为梯形的底角θ与器件的击穿电压(BV)的关系曲线，从图中可以看出，击穿电压随着角度θ的增加先增加后减小，且在θ为87°时达到最大值。图5(b)为漂移区掺杂浓度Nnc与器件的导通电阻Ron、击穿电阻BV 的关系曲线，插图为器件的BFOM 与Nnc的关系曲线。由图可知，器件的BV 和Ron随着Nnc的增大而减小，体现了二极管器件中的Ron和BV 之间存在的Trade-off 关系。而BFOM 则随着Nnc的增大先增大后减小，因此取BFOM 在最高点时的Nnc为最优值。

图5 (a)击穿电压随着θ 的变化曲线。(b)导通电阻Ron和BV 随着漂移区掺杂浓度Nnc的变化曲线，插图为BFOM 优值随Nnc的变化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

基于上述关键参数的优化结果，图6 给出了GaN基的普通PN 二极管、梯形二极管以及复合介质结构梯形二极管的反向特性对比图，插图为三种结构的正向特性曲线。三种结构的有源区均具有相同的外延层结构，其中p 型掺杂区厚度为0.5 μm，掺杂浓度为3×1017cm-3，n 型掺杂区的厚度为15.5 μm，掺杂浓度为1.5 ×1016cm-3。θ、L和T的取值分别为87°，10 μm 和5 μm。普通PN 二极管、梯形二极管以及复合介质结构梯形二极管的BV 分别为2780，2300 和4360 V。从插图可以看出，三种结构具有相似的正向特性曲线和导通电阻大小。通过正向特性曲线计算出该复合介质结构梯形二极管的导通电阻为1.53 mΩ·cm2。

相比具有两层介质的复合介质结构，具有三层介质的复合介质结构具备更好的调节二极管漂移区内部的电场分布的能力，从而可以进一步提高器件的耐压。基于上述对具有两层介质的复合介质结构梯形二极管优化结果，具有Al2O3、Si3N4和SiO2三层介质的复合介质结构GaN 梯形二极管被提出并进行了仿真优化。图7 为三层复合介质结构GaN 基梯形二极管的横向截面图，其中p型掺杂区厚度为0.5 μm，掺杂浓度为3×1017cm-3，n 型掺杂区的厚度为15.5 μm，掺杂浓度为1.5 ×1016cm-3。T1为Al2O3和Si3N4介质层界面与PN 结界面之间的距离。T2为Si3N4与SiO2介质层界面与PN 结界面之间的距离。L与θ分别取为10 μm 和87°。

图6 GaN 基普通PN 二极管、梯形二极管以及复合介质结构梯形二极管的反向特性曲线，插图为正向特性曲线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

图7 三层复合介质结构GaN 基梯形二极管的横截图Fig.7 GaN trapezoidal PN diodes with compound dielectric of three layers

图8 为GaN 基的普通PN 二极管、梯形二极管、双层复合介质结构梯形二极管以及三层复合介质结构梯形二极管的沿垂直方向的电场分布曲线。相比具有双层复合介质结构的梯形二极管，三层复合介质结构的梯形二极管多了一个电场的峰值，漂移区内部的电场分布更加均匀。说明通过增加介质层的数量可以起到进一步调节漂移区内部的电场分布的作用，从而提高器件的耐压。

图8 GaN 基普通PN 二极管、梯形二极管、双层复合介质结构梯形二极管以及三层复合介质结构梯形二极管的垂直方向电场分布曲线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

图9 为插图所示结构的BV 与T1的关系曲线。插图为具有Al2O3和Si3N4两层介质层的GaN 基梯形二极管的截面图，其外延层结构与前文结构相同，其中p型掺杂区的厚度为0.5 μm，掺杂浓度为3 ×1017cm-3，n 型掺杂区厚度为15.5 μm，掺杂浓度为1.5 ×1016cm-3。梯形底角为87°，复合介质层的长度L为10 μm。从图中可以看出，BV 随着T1的增加先增大后减小，当T1取值在3～6 μm 之间时，击穿电压为4530～4570 V 之间，稳定在相对高的范围内，之后再随着T1的增加而减小。在T1从2 μm 增加到3 μm 以及从6 μm 增加到7 μm 的过程中，BV 的数值均存在跳变。因此取3～6 μm 为T1的优值范围。

图10 为T1取1～10 μm 时图9 中二极管内部的纵向电场分布曲线。随着T1的增大，PN 结界面处的电场峰值稳定在3.5 MV/cm 左右，复合介质层界面处的电场峰值则随着T1的增大先增大后减小。通过对T1取4～10 μm 时介质层界面的电场峰值的大小进行拟合，可以发现电场峰值的下降趋势符合指数函数的下降规律。在T1为3～6 μm 时，介质层界面处的电场峰值处于相对高点，约为3.9 MV/cm 左右，说明此时复合介质层对电场的调节作用达到最大。

图9 击穿电压BV 随着T1的变化曲线，插图为具有Al2O3和Si3N4两层介质层的GaN 基梯形二极管器件横截图Fig.9 Breakdown voltage change curves with T1.Inset:Schematic cross-section of trapezoidal GaN PN diode with Al2O3/Si3N4compound dielectric

图10 T1取1～10 μm 时二极管内部纵向电场分布Fig.10 The electric field distributions of PN diodes when T1=1-10 μm

图11 为T1=5 μm 时插图所示结构的击穿电压随着T2的增加而变化的曲线。插图为具有Al2O3、Si3N4和SiO2三层介质层的GaN 基梯形二极管截面图，其中p 型掺杂区的厚度为0.5 μm，掺杂浓度为3×1017cm-3，n 型掺杂区厚度为15.5 μm，掺杂浓度为1.5×1016cm-3。梯形底角为87°，复合介质层的长度L为10 μm。可以发现器件的击穿电压随着T2的增加而逐渐减小，T2取6 μm 时BV 最大为5360 V。这是由于复合介质界面与PN结界面之间距离为3～5 μm 时，复合介质层对电场的调节作用最大，而离PN 结界面距离为5 μm 的位置已经被Al2O3/Si3N4的介质层界面占据，因此Si3N4/SiO2的介质层界面只能占据距离PN 结界面大于5 μm 的位置。这导致Si3N4/SiO2的介质层界面在逐渐远离PN 结界面过程中，对漂移区内部电场的调节作用逐渐减小，反映为器件的BV 随着T2增加而单调下降。

图12 为不同结构二极管的正向特性曲线和反向特性曲线。图12(a)为经过优化后的普通PN 二极管、梯形二极管、双层复合介质结构梯形二极管以及三层复合介质结构梯形二极管的反向特性曲线对比，图12(b)则为四种结构的正向特性曲线。普通PN 二极管、梯形二极管、双层复合介质结构梯形二极管以及三层复合介质结构梯形二极管的击穿电压分别为2300，2780，4360 和5360 V。相比于具有双层复合介质结构的梯形二极管，具备三层复合介质结构的梯形二极管的耐压提升了22.9%。四种结构具有相似的正向特性曲线，开启电压Von均在3 V 左右。其中普通PN 二极管导通的电流略大于其他三种结构。这是因为相比梯形的二极管，在底边长度相同的情况下，底角为直角的二极管有源区面积要略大于梯形的二极管。正向特性曲线高度相似说明复合介质层结构对二极管的正向特性几乎没有影响。通过计算可得双层复合介质结构梯形二极管和三层复合介质结构梯形二极管的导通电阻为1.53 mΩ·cm2，对应的BFOM，即(BV)2/Ron大小分别为12.4 GW/cm2和18.78 GW/cm2。

图11 T1=5 μm 时击穿电压随着T2的变化曲线，插图为具有Al2O3、Si3N4和SiO2三层介质层的GaN 基梯形二极管截面图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

图13 为具有双层复合介质结构和三层复合介质结构梯形二极管的导通电阻和击穿电压与其他垂直功率二极管的文献比较图[14-22]。文献[21]为具有场限环结构的GaN 基垂直PN 二极管结构，通过在主PN 结区域和场限环区域之间插入一个电阻器件来抑制结边缘处电场拥挤现象，从而提升器件耐压；文献[1]为具有场板结构的GaN 垂直PN 二极管，该结构通过场板结构抑制结边缘的电场拥挤，同时通过优化具有多层不同掺杂浓度n 型掺杂区的穿通结来降低器件的导通电阻。从对比图中可以看出，本文中复合介质结构GaN 基梯形二极管的性能已经接近GaN 材料的理论极限。而且相比于文献中具有相似性能的其他结构，该结构无需在有源区外构造额外器件来调制电场，同时有源区也没有复杂的外延层结构，具备较好的面积利用效率和进一步提升的潜力。

图12 GaN 基普通PN 二极管、梯形二极管、双层复合介质结构梯形二极管以及三层复合介质结构梯形二极管的(a) 反向特性曲线和(b) 正向导通曲线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

图13 二极管的导通电阻和击穿电压文献对比图Fig.13 Benchmark of Ronvs BV of the vertical power diodes

3 结论

本文提出了一种高击穿电压复合介质结构垂直GaN 基PN 二极管，利用Silvaco TCAD 对结构的关键参数进行了优化设计和分析。得出了器件的击穿电压随着结构中的各个关键参数的变化规律，经过优化后具有双层复合介质结构GaN 基梯形二极管的击穿电压为4360 V，相比普通GaN 基PN 二极管耐压提升了56.8%，正向导通电阻为1.53 mΩ·cm2，BFOM 为12.4 GW/cm2；具有三层复合介质结构的GaN 基梯形二极管的击穿电压为5360 V，相比没有复合介质层的GaN 基普通PN 二极管提高了92.8%，正向导通电阻为1.53 mΩ·cm2，BFOM 为18.78 GW/cm2。具有三层复合介质结构的GaN 基梯形二极管的平均击穿电场为3.35 MV/cm，接近GaN 材料的理论极限。证明了复合介质结构具备对漂移区电场的调制作用，具有该结构的二极管可以在不牺牲正向导通性能的情况下显著提升耐压，为设计高耐压的GaN 基垂直二极管器件提供了新的思路和方向。