GaN基高压二极管仿真研究

• 作 者: 白丹丹
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: AlGaN/GaN SBD器件 击穿电压 开启电压 部分p-AlGaN帽层 高k电介质

GaN基功率器件由于其高的电子迁移率、大的电子饱和速度和高的击穿电场等优异特性在高压大功率领域有非常大的应用潜力。相比Si基肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode,SBD),GaN基SBD器件在高压功率电路中可以表现出更好的性能。理论上,GaN基SBD器件在具有更高的反向击穿电压同时拥有更低的开启电压和特征导通电阻,是替代Si基SBD的理想器件。然而,目前GaN基SBD器件的性能远未达到该有的水平,其击穿电压与理论值相差甚远;高的开启电压和特征导通电阻也无法满足商用化产品对低功耗的要求。因此,本文以提高GaN基SBD器件的性能为出发点,提出了四种器件结构,并基于Silvaco-ATLAS器件仿真软件对其电学特性进行了深入的研究。为了在提高器件的击穿电压的同时降低开启电压和特征导通电阻,本文提出了部分p-AlGaN帽层和凹槽双阳极结构相结合的AlGaN/GaN SBD器件(PC-RDA-SBD)。首先,对传统AlGaN/GaN SBD器件(C-SBD)的正反向特性进行分析,确定了此后仿真中AlGaN势垒层的Al组分为0.25。其次,为了在不牺牲击穿电压的条件下实现器件的低损耗开启,在C-SBD器件中引入了凹槽双阳极结构,构成凹槽双阳极AlGaN/GaN SBD器件(RDA-SBD)。相比C-SBD器件,RDA-SBD器件的开启电压降低了73%。最后,研究了PC-RDA-SBD器件的电学特性与部分p-AlGaN帽层结构(PPCL)长度和厚度的关系,并对PPCL的尺寸进行了优化。通过采用Baliga品质因数(Baliga’s Figure of Merit)进行评估,确定了PPCL的最佳长度为5μm,厚度为0.2μm,此时可以得到最高的击穿电压和最优的BFOM值,分别为2461 V和1738MW/cm~2。本文还提出了采用高k钝化层和复合钝化层来提高器件的击穿电压。首先,在阳极边缘终端结构(AET)AlGaN/GaN SBD器件(AET-SBD)中引入高k电介质作为其钝化层,构成高k钝化层AET-SBD器件(HPT-SBD)。通过对HPT-SBD器件反向特性的仿真分析发现其击穿电压随着钝化层的相对介电常数和厚度以及AET区域下钝化层厚度的增加而增大。当钝化层厚度和AET区域下钝化层厚度分别固定为0.2μm和25 nm时,相对介电常数为80的HPT-SBD器件可得到高达1693 V的击穿电压。其次,为了进一步提升器件的击穿电压,本文在相对介电常数为30的钝化层中引入了低k电介质块(LK)形成复合钝化层,构成复合钝化层AET-SBD器件(CPT-SBD)。研究了CPT-SBD器件的击穿电压与LK到AET边缘的距离、LK的长度和厚度的关系。还解释了复合钝化层提高击穿电压的原因,即复合钝化层的采用会在高k/低k电介质块界面处引入新的电场峰值,进而使沟道电场分布的更加均匀,从而提高器件的击穿电压。最后,采用4个LK将CPT-SBD器件的击穿电压提升至1950 V。