GaN基梯度掺杂超结电流孔径垂直电子晶体管结构设计
发布时间：2021-11-16 00:10
设计了GaN基具有超结结构的电流孔径垂直电子晶体管（SJ CAVET）和具有梯度掺杂超结结构的电流孔径垂直电子晶体管（GD-SJ CAVET）。采用Silvaco TCAD软件对两种器件的电学特性进行了仿真。与SJ CAVET相比,GD-SJ CAVET在导通时具有更大的电流密度和更宽的电流路径,并得到分布更均匀的电场,因此器件的击穿特性和导通特性均得到了较大改善。相比SJ CAVET,当GD-SJ CAVET梯度掺杂区域数量为3、n柱顶部区域的掺杂浓度为0.5×1016 cm-3时,器件的比导通电阻降低了27.3%,击穿电压提升了27.7%。
【文章来源】：半导体技术. 2020,45(06)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
SJ CAVET和具有3个掺杂区域的GD-SJ CAVET
图4为两种器件击穿时在y方向沿直线A1A2的电场分布,插图为二维电场分布示意图,图中E为电场强度。可以看出,尽管超结结构使缓冲层的电场分布在一定程度上是均匀的,但是CBL与孔径区域交界面下方有一个尖峰电场,其下方缓冲层的电场有明显的下降,而电场分布的不均匀会导致器件提前击穿,因此可以通过提高缓冲层中部的电场来改善击穿特性。在GD-SJ CAVET中,在缓冲层中部形成了一个比较宽的高电场,大幅度地改善了器件缓冲层的电场分布,这表明梯度掺杂超结结构可以更有效地对电场进行调制,因此GD-SJ CAVET可以得到更高的击穿电压。图5为SJ CAVET和具有3个掺杂区域的GD-SJ CAVET的击穿电压和比导通电阻随掺杂浓度梯度变化的关系曲线。当Gn=0时,器件为SJ CAVET。对于GD-SJ CAVET,不同的Nn1对应不同的峰值击穿电压,并且峰值击穿电压随着Nn1的增加而降低,并且其峰值击穿电压对应的掺杂浓度梯度逐渐降低;但是导通电阻则随掺杂浓度梯度增大而逐渐减小。因此在具有相同Nn1的前提下,当Gn为0～2×1016 cm-3时,GD-SJ CAVET的击穿特性和导通特性均优于SJ CAVET。
SJ CAVET和GD-SJ CAVET的截面示意图如图1所示。由于器件为轴对称结构,为简化仿真,本文仅对两个器件的左半侧结构进行研究。使SJ CAVET与GD-SJ CAVET的参数设置保持一致,器件组成如下:厚度为200 nm的p+-GaN帽层,其p型掺杂浓度为1×1018 cm-3;厚度为20 nm未掺杂的Al0.2Ga0.8N势垒层;厚度为50 nm的n型掺杂GaN沟道层,其掺杂浓度为1×1016 cm-3;厚度为1 μm的p型掺杂的CBL层,掺杂浓度为1×1018 cm-3;n+-GaN衬底厚度为1 μm,其n型掺杂浓度为1×1018 cm-3。SJ CAVET的n柱和p柱中掺杂浓度相同,而GD-SJ CAVET中的n柱和p柱均被等分为m个掺杂区域,当m=1时,GD-SJ CAVET即为SJ CAVET。n柱中第i(i=1,2,3,……,m)个掺杂区域用ni表示,n柱的掺杂浓度梯度为Gn,ni区的掺杂浓度为Nni;p柱中的第i个掺杂区域用pi表示,p柱的掺杂浓度梯度为Gp,pi的掺杂浓度为Npi。其中n柱的掺杂浓度从上至下依次梯度增加,p柱的掺杂浓度从下至上依次梯度增加,并且Nn1=Np1,Gn=Gp,因此Nni=Npi。在SJ CAVET中,n柱掺杂浓度等于p柱掺杂浓度,并且n柱掺杂浓度与GD-SJ CAVET中的n1区的掺杂浓度Nn1相同,p柱掺杂浓度与GD-SJ CAVET中的p1区的掺杂浓度Np1相同。在SJ CAVET和GD-SJ CAVET中,p柱和n柱的高度(H)和宽度(Wp和Wn)均相同,分别为12 μm和3 μm。m个掺杂区域的各部分的高度h=H/m,图中的直线A1A2为器件左半部CBL与孔径交界的垂直线,直线B1B2为器件左半部的右边界。在本文中,将Nn1的浓度设置为0.5×1016,1×1016和1.5×1016 cm-3分别进行研究。2 仿真结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合沟道氟离子增强型AlGaN/GaN HEMT的研究[J]. 蔡金勇,周琦,罗小蓉,陈万军,范远航,熊佳云,魏杰,杨超,张波. 固体电子学研究与进展. 2014(05)
本文编号：3497785
【文章来源】：半导体技术. 2020,45(06)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
SJ CAVET和具有3个掺杂区域的GD-SJ CAVET
图4为两种器件击穿时在y方向沿直线A1A2的电场分布,插图为二维电场分布示意图,图中E为电场强度。可以看出,尽管超结结构使缓冲层的电场分布在一定程度上是均匀的,但是CBL与孔径区域交界面下方有一个尖峰电场,其下方缓冲层的电场有明显的下降,而电场分布的不均匀会导致器件提前击穿,因此可以通过提高缓冲层中部的电场来改善击穿特性。在GD-SJ CAVET中,在缓冲层中部形成了一个比较宽的高电场,大幅度地改善了器件缓冲层的电场分布,这表明梯度掺杂超结结构可以更有效地对电场进行调制,因此GD-SJ CAVET可以得到更高的击穿电压。图5为SJ CAVET和具有3个掺杂区域的GD-SJ CAVET的击穿电压和比导通电阻随掺杂浓度梯度变化的关系曲线。当Gn=0时,器件为SJ CAVET。对于GD-SJ CAVET,不同的Nn1对应不同的峰值击穿电压,并且峰值击穿电压随着Nn1的增加而降低,并且其峰值击穿电压对应的掺杂浓度梯度逐渐降低;但是导通电阻则随掺杂浓度梯度增大而逐渐减小。因此在具有相同Nn1的前提下,当Gn为0～2×1016 cm-3时,GD-SJ CAVET的击穿特性和导通特性均优于SJ CAVET。
SJ CAVET和GD-SJ CAVET的截面示意图如图1所示。由于器件为轴对称结构,为简化仿真,本文仅对两个器件的左半侧结构进行研究。使SJ CAVET与GD-SJ CAVET的参数设置保持一致,器件组成如下:厚度为200 nm的p+-GaN帽层,其p型掺杂浓度为1×1018 cm-3;厚度为20 nm未掺杂的Al0.2Ga0.8N势垒层;厚度为50 nm的n型掺杂GaN沟道层,其掺杂浓度为1×1016 cm-3;厚度为1 μm的p型掺杂的CBL层,掺杂浓度为1×1018 cm-3;n+-GaN衬底厚度为1 μm,其n型掺杂浓度为1×1018 cm-3。SJ CAVET的n柱和p柱中掺杂浓度相同,而GD-SJ CAVET中的n柱和p柱均被等分为m个掺杂区域,当m=1时,GD-SJ CAVET即为SJ CAVET。n柱中第i(i=1,2,3,……,m)个掺杂区域用ni表示,n柱的掺杂浓度梯度为Gn,ni区的掺杂浓度为Nni;p柱中的第i个掺杂区域用pi表示,p柱的掺杂浓度梯度为Gp,pi的掺杂浓度为Npi。其中n柱的掺杂浓度从上至下依次梯度增加,p柱的掺杂浓度从下至上依次梯度增加,并且Nn1=Np1,Gn=Gp,因此Nni=Npi。在SJ CAVET中,n柱掺杂浓度等于p柱掺杂浓度,并且n柱掺杂浓度与GD-SJ CAVET中的n1区的掺杂浓度Nn1相同,p柱掺杂浓度与GD-SJ CAVET中的p1区的掺杂浓度Np1相同。在SJ CAVET和GD-SJ CAVET中,p柱和n柱的高度(H)和宽度(Wp和Wn)均相同,分别为12 μm和3 μm。m个掺杂区域的各部分的高度h=H/m,图中的直线A1A2为器件左半部CBL与孔径交界的垂直线,直线B1B2为器件左半部的右边界。在本文中,将Nn1的浓度设置为0.5×1016,1×1016和1.5×1016 cm-3分别进行研究。2 仿真结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合沟道氟离子增强型AlGaN/GaN HEMT的研究[J]. 蔡金勇,周琦,罗小蓉,陈万军,范远航,熊佳云,魏杰,杨超,张波. 固体电子学研究与进展. 2014(05)
本文编号：3497785
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