p-NiO插入终端结合MOS结构实现高性能GaN基SBD

依托先进的半导体TCAD仿真平台，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队设计了一种具有p-NiO插入终端结合侧壁MOS场板的混合式肖特基势垒二极管结构（Hybrid TMBS），期望通过该设计能同时改善传统GaN基SBD的正向导通特性和反向击穿特性。

图1展示了技术团队设计的Hybrid TMBS器件结构（Device A3），该结构的设计核心是利用p-NiO插入终端结合侧壁场板MOS结构形成混合式肖特基势垒二极管结构。如图2（a）所示，该设计方案，在器件正向偏置时，具有更高的电流密度，这主要归功于引入的p-NiO插入终端可以有效地改善器件的电流拥挤效应，使器件台面底部附近的电流分布更均匀，从而减小器件的导通电阻 [图2（b），（c）和（d）]。此外，图2（e）和（f）中台面底部附近横截的能带图也展示了对于参考器件而言存在0.42 eV的电子势垒，而Hybrid TMBS器件结构则不存在所谓的势垒，这很直观地证明了Hybrid TMBS器件结构可以有效地促进电子向器件两侧输运，从而增强器件的电流扩展。

图1. GaN基混合式肖特基势垒二极管的结构示意图

图2.（a）器件A3、平面SBD和TMBS器件以及p-NiO/n-GaN二极管的正向I-V特性曲线；（b）TMBS器件和器件A3于台面底部附近的横截电流密度分布图（VF = 3 V）；（c）TMBS器件和（d）器件A3的二维正向电流密度分布图；（e）TMBS器件和（f）器件A3台面底部位置附近的横截能带分布图（VF = 3 V）

除此之外，如图3（a）所示，当器件外加反向偏置时，Hybrid TMBS器件结构能实现更高的击穿电压。这是由于当器件处于反向偏置时，p-NiO/n-GaN形成反偏PN结，可以有效地分担大部分电场，从而增强器件的电荷耦合效应，进而削弱金半接触界面以及台面拐角处的强电场，如图 3（c）和（d）所示。 另外，从图3（b）中的二维电场分布和二维漏电流分布图中也可以很直观地看出p-NiO插入终端结合侧壁场板MOS结构可以有效地减小金半接触界面的电场分布，从而降低由镜像力效应引起的漏电流。

基于前期的仿真结果，技术团队优化了器件架构，目前实验验证工作正在开展，初步的测试结果与仿真结果实现了高度的吻合。该研究成果丰富了GaN、GaO、SiC基SBD的技术模型，为研发更高性能的SBD提供了有力的研究基础。

图3.（a）器件A3、平面SBD和TMBS器件的反向I-V特性曲线；（b1）TMBS器件和（b2）器件A3的二维电场分布图（Vr = -1300 V）；（b3）TMBS器件和（b4）器件A3的二维电流密度分布图（Vr = -1300 V）；（c）台面底部位置附近的横截电场分布图（Vr = -1300 V）；（d）沿肖特基接触界面位置向下的纵切电场分布图（Vr = -1300 V）

该成果最近被应用物理领域权威SCI期刊Japanese Journal of Applied Physics， 61, 014002 (2022)收录。

审核编辑：符乾江