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AlGaN/GaN SBD的仿真

  对于采用AlGaN/GaN异质结制备的SBD(器件结构如图1所示),其反向击穿电压并非仅由掺杂浓度决定。在肖特基势垒高度不变的前提下,还有一个重要的因素影响击穿电压,即AlGaN/GaN交界面的极化电荷。氮化物材料中有很强的极化效应,在异质结界面会出现极化强度的差异,在突变界面上该效应可用一层正的固定电荷σpol来等效。在Al0.25Ga0.75N/GaN异质结中,该极化电荷理论上应有8×1012cm-2大小,但在仿真中该电荷的大小应根据实验数据进行拟合。
AlGaN/GaN SBD器件结构 
图1 AlGaN/GaN SBD器件结构
 
  令GaN的背景掺杂取为NDB=5×1015cm-3,AlGaN的背景掺杂取为NDB=2×1016cm-3,设σpols大小分别为1×1012cm-2到6×1012cm-2,所得的AlGaN/GaN SBD反向击穿特性如图2所示。随着极化电荷密度的升高,反向击穿电压由σpol=1×1012cm-2时的约910V减小到σpols=6×1012cm-2时的约220V,可见反向击穿电压对界面极化电荷非常敏感。
AlGaN/GaN SBD反向击穿特性,AlGaN/GaN界面极化电荷密度不同 
图2 AlGaN/GaN SBD反向击穿特性,AlGaN/GaN界面极化电荷密度不同
 
  由于击穿的发生和器件内的电场有关,极化电荷能够影响击穿电压应该是由于极化效应改变了器件内的电场分布。如图3和图4所示为AlGaN/GaN SBD在零偏置的情况下沿阳极下方纵剖面的导带能量和电场分布。极化电荷由1×1012cm-2增加到6×1012cm-2时,AlGaN势垒层中的导带能量大幅下降,二维电子气沟道由耗尽状态变为累积状态,AlGaN势垒层中的电场显著增大。这是零偏置的情况,相当于一个基础水平,极化电荷差异已经造成势垒层电场的较大差异。当阳极电压负偏置时,AlGaN势垒层中的电场将进一步增大。可以想到在同样的偏置电压下基础电场较高的情况应先出现击穿,因此极化电荷密度升高则击穿电压减小。考虑到器件实验数据中击穿电压的大小,极化电荷密度应该在1×1012cm-2到2×1012cm-2之间。
沿AlGaN/GaN SBD阳极中部下方纵剖面的导带分布,阳极电压为0V 
图3 沿AlGaN/GaN SBD阳极中部下方纵剖面的导带分布,阳极电压为0V
沿AlGaN/GaN SBD阳极中部下方纵剖面的电场分布,阳极电压为0V 
图4 沿AlGaN/GaN SBD阳极中部下方纵剖面的电场分布,阳极电压为0V
 
  图5给出了不同极化电荷密度下AlGaN/GaN SBD的正向I-V特性,其中当极化电荷增加到3×1012cm-2时,正向电流在1.1V左右出现一个很窄的快速上升区,随后电流上升斜率变小,并保持该斜率近似线性上升。该现象暂时不能得到解释。但根据氮化物SBD的正向I-V特性的常见形状,极化电荷低于3×1012cm-2时的I-V曲线的形状是正常的。这为极化电荷密度的选择也提供了一个判断依据。
AlGaN/GaN SBD正向I-V特性,AlGaN/GaN界面极化电荷密度不同 
图5 AlGaN/GaN SBD正向I-V特性,AlGaN/GaN界面极化电荷密度不同
 
  根据以上分析,最终选择的极化电荷密度为1.5×1012cm-2

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