GaN垂直型结势垒肖特基（JBS）二极管的优化研究

作     者：尹健 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘超

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：氮化镓 JBS 超级结 击穿电压 反向恢复 

摘      要：半导体功率器件具有处理高电压和大电流的能力,应用于电力电子系统中可以实现变压、耐压、整流、续流等作用。因此,功率器件具有十分重要的实际应用价值与理论研究意义。肖特基势垒二极管(SBD)作为功率器件领域中一个重要分支,是电力电子系统中的重要组成部分,发挥着整流和耐压的重要作用。氮化镓(GaN)材料具有宽带隙、高临界电场和高电子迁移率等优异特性,是制备高功率器件的极佳材料。其中,GaN垂直型SBD凭借着低导通压降、快开关速度以及低反向恢复损耗等器件优势而成为现代功率系统的优选器件结构。由于在反向偏压下阳极金属与半导体之间存在镜像力的影响,肖特基接触界面的强电场聚集导致肖特基势垒降低,因此SBD表现出较低的反向击穿电压和较大的反向漏电流。镜像力导致肖特基势垒降低的程度与肖特基接触表面的电场直接相关,目前已提出多种器件结构以抑制肖特基接触表面的强电场,其中一种比较典型的便是结势垒肖特基(JBS)二极管。JBS二极管的原理是通过阳极接触下方交替排列的PN结来调控电场分布,即相邻PN结间形成的耗尽区交叠产生一个“等效势垒,该“势垒可以实现对于肖特基表面电场的屏蔽。一般来说,JBS二极管中PN结的深度与屏蔽表面电场的效果呈正相关,要实现更深的PN结须获得更厚的p型区域。然而,p型区域的掺杂通常使用离子注入的方式来实现,越厚的p型区域需要越高的离子注入能量,这会在材料中引入更多不必要的杂质和缺陷,从而对器件性能造成很大影响。本文通过器件结构设计来对此进行优化研究:(1)提出并设计了 GaN基沟槽型JBS(TJBS)二极管结构,该结构能获得深的PN结界面,优化了器件内的电场分布。同时,对TJBS结构进行了系统研究,分析了关键结构参数对器件正反向性能的影响,并建立了一个正向导通分析模型,通过计算值与仿真值的拟合验证了模型的有效性。(2)为进一步提升TJBS结构的反向击穿性能,提出并设计了 GaN基超级结型TJBS(SJ-TJBS)二极管,使用氧化物对沟槽进行填充以实现超级结的耗尽效果,相比于TJBS结构,SJ-TJBS二极管的击穿电压有明显提升。随后对SJ-TJBS二极管进行了系统研究,包括关键结构参数对器件正反向静态性能的影响以及沟槽形状对器件反向恢复的影响。器件可获得的最高品质因数(FOM)值为8.65 KV2/mΩ·cm2。最后与文献中报道的同类型器件的击穿电压和导通电阻对比,所设计的SJ-TJBS二极管展示出一定的性能优势。