横向AlGaN/GaN基SBD结构及物理模型数据库的开发

        GaN基功率器件凭借其临界电场高、电子饱和漂移速度大、热导率高等优良性能在大功率快充、充电桩、新能源汽车等领域具备广泛应用空间。为进一步助推半导体高频、高功率微电子器件的发展进程，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队依托先进的半导体TCAD仿真平台成功开发出了横向AlGaN/GaN基SBD模型数据库，并系统地研究了场板结构参数以及温度对器件电学特性的影响。该数理模型包含了GaN材料的表面/界面/体缺陷信息，也为GaN/AlGaN HEMT器件的建模仿真、器件制备和可靠性分析奠定了基础。

       图1为在反向偏置100 V时有无场板结构的横向AlGaN/GaN基SBD的电势分布。通过在横向AlGaN/GaN基SBD结构中引入场板结构，一方面在反向偏置时能够增加横向耗尽区域的面积，提升反向击穿电压；另一方面，场板与凹槽阳极之间可以形成电荷耦合效应，能够有效地减小凹槽阳极边缘的峰值电场，同时减弱镜像力的影响，抑制器件的漏电流。

图1反偏电压为100 V的电势分布图：（a）无场板结构；（b）具有场板结构

       为进一步优化器件性能，技术团队对场板结构的长度、厚度、材料等参数进行了优化设计，例如图2（a）-（d）的研究结果所示，随着SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2的介电常数从3.4、7、9增加到20，凹槽阳极侧壁的电荷耦合效应逐渐增强，从而有效地减小了阳极边缘肖特基结电场强度并抑制肖特基势垒降低效应，降低器件的漏电流【见图2（e）】；同时，电场分布也更加均匀，当介质层采用HfO2时反向击穿电压可以提升至2700 V【见图2（f）】，并通过了流片验证。

图2（a）-（d）具有不同介质层器件的2-D电场分布；（e）具有不同介质层器件的反向漏电流；（f）具有不同介质层器件的反向击穿电压。

       此外，图3还展示了外部环境温度对SBD反向电学特性的影响，β1是以器件发生雪崩击穿为击穿点得到的温度系数，从图可知器件C1-C4的击穿电压都随着温度的增加而增加；β2是以器件漏电流达到1 mA/cm2为击穿点得到的温度系数，由于系数β2是负值，可以得出随着温度的增加漏电流增加。

图3 器件C1- C4 BV1和BV2的温度系数统计表

参考文献：

[1] Japanese Journal of Applied Physics, vol. 62, no. 9, p. 094001, 2023, DOI: 10.35848/1347-4065/acf17a.