GaN基垂直功率器件擊穿機(jī)理與新結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、目前全球的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，特別是近年來(lái)在全球能源短缺、環(huán)境惡化等考驗(yàn)下，GaN基垂直結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高電壓大電流器件的最佳選擇，不會(huì)受到因薄膜表面質(zhì)量差而引起的熱問(wèn)題，可以在晶片上提供較多的管芯，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蠊β?、低功耗的需求。本文闡述了GaN材料的基本性質(zhì)，并對(duì)GaN垂直功率二極管的工作機(jī)制做了分析，重點(diǎn)探討了影響垂直器件優(yōu)值的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)橫向和垂直二極管做了詳細(xì)對(duì)比，指出了垂直二極管的優(yōu)勢(shì)以及橫向二極管的不足，接著提出了

2、兩種新型耐壓結(jié)構(gòu)：新型電荷補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、高/低K復(fù)合介質(zhì)層耐壓結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可知，新結(jié)構(gòu)均可以明顯提升器件擊穿電壓的同時(shí)具有低導(dǎo)通電阻。
　　本研究針對(duì)pn結(jié)邊緣電場(chǎng)線集中而導(dǎo)致器件提前擊穿以及n型GaN體內(nèi)電場(chǎng)分布不均的問(wèn)題，提出一種新型的GaN基垂直功率二極管，該垂直二極管具有電荷補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，其可以利用負(fù)的固定電荷可以引起 n型半導(dǎo)體界面形成反型層，產(chǎn)生高濃度的空穴擴(kuò)展了體內(nèi)耗盡區(qū)寬度，大幅度提升了擊穿電壓。經(jīng)仿真優(yōu)化驗(yàn)證，結(jié)果

3、表明在n型GaN厚度為17.5μm，摻雜濃度為2×1016cm-3時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率二極管的擊穿電壓5965V、導(dǎo)通電阻為1.52mΩ?cm2，接近GaN材料的極限。該新結(jié)構(gòu)工藝可行性尚需時(shí)間驗(yàn)證，但是卻為高功率GaN基垂直二極管的研究設(shè)計(jì)提供了新的思路。為了進(jìn)一步提升器件的性能，并基于現(xiàn)有的工藝條件，提出了一種具有高/低K復(fù)合介質(zhì)層的GaN基垂直功率二極管，復(fù)合介質(zhì)層結(jié)構(gòu)具有一層介電常數(shù)較高的介質(zhì)層和多層介電常數(shù)較低的介質(zhì)層，并沿電流方向交

4、替排列形成。不同介質(zhì)層之間的介電常數(shù)不同，從而引起電場(chǎng)分布在介質(zhì)層界面不連續(xù)，這將會(huì)將會(huì)影響pn結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布，可以有效降低pn結(jié)結(jié)面處電場(chǎng)峰值，而遠(yuǎn)離pn結(jié)結(jié)面的電場(chǎng)可以得到明顯提升，從而使二極管體內(nèi)中電場(chǎng)分布變得均勻，因此能夠顯著提高器件的反向耐壓能力。仿真優(yōu)化結(jié)果表明在n型GaN厚度為34.5μm，摻雜濃度為1×1016cm-3時(shí)擊穿電壓達(dá)到10650V，相比常規(guī)結(jié)構(gòu)，耐壓提升了近216％，而且導(dǎo)通電阻僅為5.83mΩ?cm2，平