论文部分内容阅读
[摘 要]GaN基肖特基二极管是一种被广泛应用的GaN基器件，其具有高击穿电压、高工作频率等优点。本文用ATLAS器件仿真软件对GaN基肖特基二极管的I-V特性进行了仿真。分析了界面层厚度以及本征层厚度对器件的I-V特性的影响。
[关键词]肖特基二极管；界面层；本征层；I-V特性
中图分类号：TN86.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0336-01
1 引言
GaN作为继Si、GaAs之后的第三代宽禁带半导体材料，以其所具有的高热导率、高热稳定性、高击穿电压、大电子饱和和漂移速度等特点，在高频半导体器件中发展迅速。GaN基二极管是非常重要的二极管，尤其是GaN基肖特基二极管和AlGaN/GaN异质结二极管的应用非常广泛，是近几年的研究热点。GaN基二极管具有导通电阻低、击穿电压高、热导率高、工作频率高等特点，可以工作在复杂的环境中。
肖特基二极管的电学特性与势垒高度有很大的关系，增大势垒高度可以降低暗电流，降低器件的噪声，提高器件的性能。目前人们找到的有效的提高势垒高度的方法有使用金属-绝缘体-半导体结构（MIS）以及在半导体衬底上加一层比较薄的反型层等。本文用ATLAS软件模拟仿真了GaN基肖特基二极管的特性，针对MIS结构的肖特基二极管中，不同的界面层厚度和不同的本征层厚度对器件的V-I特性的影响，从而优化器件结构，提高势垒高度，降低器件中的暗电流，提高器件性能。
2 器件的结构
传统的GaN肖特基二极管有横向结构、纵向结构和台面结构。横向结构一般用到AlGaN/GaN异质结，所以不用掺杂也会有电流。但是器件的正向电流密度偏小。而纵向结构可以产生大的电流。但反向漏电流也非常大，导致击穿电压与GaN应达到的水平相距甚远。台面结构具有电流大，与传统的工艺兼容等优点，当然也有电流密度偏小等缺点。
图1是N型肖特基二极管的台面结构示意图。在衬底上生长形成一个缓冲层，然后依次形成N+型GaN区和不掺杂的本征GaN区，这个未掺杂的本征漂移层和N+型层形成肖特基接触。在本征层上生长一层薄薄的界面层。然后再形成欧姆电极和肖特基电极。在肖特基接触中，正向偏压时，空间电荷区势垒变低，电子容易从N+流向本征区，形成从本征层到N+层的电流；反向偏压时，势垒高度增大，电子很难通过高势垒，从而达到反向截至的目的。从而实现了器件的单向导通。
3 GaN基肖特基二极管的模拟仿真
肖特基接触中，电流的形成主要依靠多数载流子，其输运过程主要有电子越过势垒的发射过程、电子穿过势垒的量子隧穿过程、空间电荷区的复合过程、耗尽区电子的扩散过程和空穴的注入扩散过程。在ALTAS中仿真计算考虑了泊松方程、薛定谔方程、连续性方程、Bethe热电子发射理论和扩散理论、Auger复合机制以及隧穿效应等等。在仿真中我们设置N+区的掺杂浓度为4×1018，本征層的浓度为5×1016，工作的温度为300K。
（1） 肖特基二极管的电流的表达式为：
其中A为肖特基接触面积，A*为有效理查德常数，T为工作温度，为势垒高度，R为串联电阻，n为理想因子。
（2）由图3可以看出，开启电压随着界面厚度的增加逐渐的变大，这是因为界面层的带宽修正了势垒的隧穿系数，从而导致了注入载流子的势垒高度的提高；而正向电流随着界面层的逐渐增加，电流却逐渐变小，这是因为随着势垒高度的提高，正向电流随着降低。
为了探索GaN肖特基二极管的电学特性中的相同界面层厚度的正向特性，将界面层厚度设置为3.5nm，将本征层厚度分别设置为1.0um，1.5um，1.6um。
（1）界面层厚度不变，改变本征层厚度，当界面层厚度固定不变时，器件的开启电压基本没有改变，本征层厚度的增加时电流随着而逐渐减小。这主要是由于本征层厚度增加时，电场强度不断降低所致。
（2）界面层不变，改变本征层厚度，从图5可以看出，本征层的厚度增加时反向电流有所下降。
4 结论
通过ATLAS软件，对GaN肖特基二极管器件的I-V特性进行了模拟仿真，分析了界面层厚度以及本征层对肖特基器件电学性质的影响。模拟结果可以看出器件的电流特性主要由界面层决定，自身的电场强度随着界面层厚度的增加而不断提高，自身的暗电流随着界面层厚度的增加而降低，而器件的电场分布主要由本征漂移层来决定，本征漂移层对器件的正向电流有比较明显的影响。通过模拟仿真我们可以考虑在一定范围内，通过增加界面层厚度和减少本征层的厚度来提高器件的性能，降低暗电流，优化器件结构。
参考文献
[1] 王新华，王晓亮，肖红领，王翠梅，冉军学，AlGaN/AlN/GaN肖特基二极管的电学性能[J]，《半导体学报》，2007（28）。
[2] 欧俊辉，吴宇真等，基于ADS获取肖特基二极管阻抗的迭代方法[J]，《微波学报》，2017（12）。
作者简介：张子砚，女，1979.10，甘肃白银，讲师，硕士研究生，微电子学与固体电子学。
项目基金：贵州省2014年联合基金项目：黔科合LH字[2014]7181号。
[关键词]肖特基二极管；界面层；本征层；I-V特性
中图分类号：TN86.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）28-0336-01
1 引言
GaN作为继Si、GaAs之后的第三代宽禁带半导体材料，以其所具有的高热导率、高热稳定性、高击穿电压、大电子饱和和漂移速度等特点，在高频半导体器件中发展迅速。GaN基二极管是非常重要的二极管，尤其是GaN基肖特基二极管和AlGaN/GaN异质结二极管的应用非常广泛，是近几年的研究热点。GaN基二极管具有导通电阻低、击穿电压高、热导率高、工作频率高等特点，可以工作在复杂的环境中。
肖特基二极管的电学特性与势垒高度有很大的关系，增大势垒高度可以降低暗电流，降低器件的噪声，提高器件的性能。目前人们找到的有效的提高势垒高度的方法有使用金属-绝缘体-半导体结构（MIS）以及在半导体衬底上加一层比较薄的反型层等。本文用ATLAS软件模拟仿真了GaN基肖特基二极管的特性，针对MIS结构的肖特基二极管中，不同的界面层厚度和不同的本征层厚度对器件的V-I特性的影响，从而优化器件结构，提高势垒高度，降低器件中的暗电流，提高器件性能。
2 器件的结构
传统的GaN肖特基二极管有横向结构、纵向结构和台面结构。横向结构一般用到AlGaN/GaN异质结，所以不用掺杂也会有电流。但是器件的正向电流密度偏小。而纵向结构可以产生大的电流。但反向漏电流也非常大，导致击穿电压与GaN应达到的水平相距甚远。台面结构具有电流大，与传统的工艺兼容等优点，当然也有电流密度偏小等缺点。
图1是N型肖特基二极管的台面结构示意图。在衬底上生长形成一个缓冲层，然后依次形成N+型GaN区和不掺杂的本征GaN区，这个未掺杂的本征漂移层和N+型层形成肖特基接触。在本征层上生长一层薄薄的界面层。然后再形成欧姆电极和肖特基电极。在肖特基接触中，正向偏压时，空间电荷区势垒变低，电子容易从N+流向本征区，形成从本征层到N+层的电流；反向偏压时，势垒高度增大，电子很难通过高势垒，从而达到反向截至的目的。从而实现了器件的单向导通。
3 GaN基肖特基二极管的模拟仿真
肖特基接触中，电流的形成主要依靠多数载流子，其输运过程主要有电子越过势垒的发射过程、电子穿过势垒的量子隧穿过程、空间电荷区的复合过程、耗尽区电子的扩散过程和空穴的注入扩散过程。在ALTAS中仿真计算考虑了泊松方程、薛定谔方程、连续性方程、Bethe热电子发射理论和扩散理论、Auger复合机制以及隧穿效应等等。在仿真中我们设置N+区的掺杂浓度为4×1018，本征層的浓度为5×1016，工作的温度为300K。
（1） 肖特基二极管的电流的表达式为：
其中A为肖特基接触面积，A*为有效理查德常数，T为工作温度，为势垒高度，R为串联电阻，n为理想因子。
（2）由图3可以看出，开启电压随着界面厚度的增加逐渐的变大，这是因为界面层的带宽修正了势垒的隧穿系数，从而导致了注入载流子的势垒高度的提高；而正向电流随着界面层的逐渐增加，电流却逐渐变小，这是因为随着势垒高度的提高，正向电流随着降低。
为了探索GaN肖特基二极管的电学特性中的相同界面层厚度的正向特性，将界面层厚度设置为3.5nm，将本征层厚度分别设置为1.0um，1.5um，1.6um。
（1）界面层厚度不变，改变本征层厚度，当界面层厚度固定不变时，器件的开启电压基本没有改变，本征层厚度的增加时电流随着而逐渐减小。这主要是由于本征层厚度增加时，电场强度不断降低所致。
（2）界面层不变，改变本征层厚度，从图5可以看出，本征层的厚度增加时反向电流有所下降。
4 结论
通过ATLAS软件，对GaN肖特基二极管器件的I-V特性进行了模拟仿真，分析了界面层厚度以及本征层对肖特基器件电学性质的影响。模拟结果可以看出器件的电流特性主要由界面层决定，自身的电场强度随着界面层厚度的增加而不断提高，自身的暗电流随着界面层厚度的增加而降低，而器件的电场分布主要由本征漂移层来决定，本征漂移层对器件的正向电流有比较明显的影响。通过模拟仿真我们可以考虑在一定范围内，通过增加界面层厚度和减少本征层的厚度来提高器件的性能，降低暗电流，优化器件结构。
参考文献
[1] 王新华，王晓亮，肖红领，王翠梅，冉军学，AlGaN/AlN/GaN肖特基二极管的电学性能[J]，《半导体学报》，2007（28）。
[2] 欧俊辉，吴宇真等，基于ADS获取肖特基二极管阻抗的迭代方法[J]，《微波学报》，2017（12）。
作者简介：张子砚，女，1979.10，甘肃白银，讲师，硕士研究生，微电子学与固体电子学。
项目基金：贵州省2014年联合基金项目：黔科合LH字[2014]7181号。