二维空间电荷分布的分析建模用于垂直GaN二极管击穿电压的优化

《Micro and Nanostructures》：Analytical Modeling of 2-Dimensional Space Charge Distribution for vertical GaN Diode Breakdown Voltage Optimization

GaN pn结反向偏置下的电场拥挤效应及耗尽层分布模型研究，通过TCAD模拟验证并优化器件终止结构（JTE/场板/ guard ring），提出P型GaN耗尽层厚度与掺杂浓度的关联性，为外延生长参数优化提供理论依据。

　　

Jingyang Zhang | Yibo Liu | Feng Feng | Xinyi Liu | Yujia Sheng | Zichun Li | Shan Huang | Fion Sze-Yan Yeung | Man-Chun Tseng | Zhaojun Liu

香港科技大学与南方科技大学，中国香港，999077

摘要

本研究探讨了GaN pn结在反向偏压下的击穿特性，重点关注电场拥挤效应。开发了一个分析模型来描述非理想pn结中耗尽区的边界分布，特别强调了电场拥挤效应。该模型通过全面的数值模拟得到了严格验证。研究结果为电场拥挤机制提供了关键见解，推动了对其理论理解的深入。此外，所提出的模型有助于优化器件终端结构，包括结终端扩展、保护环和场板。同时，使用非理想的二维模型分析了P型GaN中的耗尽区。通过结合数值模拟和分析计算，提出了一种优化方案，以减轻反向偏压下p-GaN中的非均匀电荷分布问题，为GaN晶圆外延生长参数提供了指导。与传统终端结构设计方法相比，所提出的方法能够在外延生长阶段集成优化，显著降低工艺复杂性和制造成本。

引言

氮化镓（GaN）作为一种重要的III族氮化物半导体，由于其优异的材料特性，在电力电子领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。作为宽禁带半导体，GaN具有极高的临界击穿电场、优异的电子迁移率以及极低的导通电阻，这些特性共同提升了功率转换效率[5]、[6]。垂直GaN二极管结构相比横向结构具有明显优势：在高电流密度运行时，垂直结构能够大幅降低差分导通电阻[7]、[8]。双电极配置实现了双向热耗散，从而显著提高了热性能，使其具有出色的功率处理能力。消除了表面场板结构后，反向恢复电荷显著减少，有利于高频开关操作，这对于快速充电应用至关重要。这些特性使得垂直GaN器件成为高功率密度系统的理想选择，尤其适用于需要增强热管理的应用场景。此外，它们对表面陷阱效应的敏感性较低，进一步提高了高压应用中的可靠性，使其特别适合电动汽车动力系统和可再生能源基础设施，这些应用对运行效率和器件可靠性要求极高[1]、[4]、[9]。基于GaN的商业化器件的技术进步展示了该材料在电力电子领域的巨大潜力[10]、[11]。然而，垂直GaN二极管的性能仍受到两个主要限制的制约。第一个挑战是电场拥挤效应导致的提前击穿现象，这是二极管结构固有的问题[12]、[13]。目前的缓解策略包括通过结终端扩展（JTE）、场板和保护环来优化终端结构[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这些多层次终端设计的有效性从根本上依赖于精确的电场调控，因此需要系统地研究电荷分布特性[21]、[22]、[23]。

当前的终端设计主要集中在p型GaN层的修改上，通过控制电荷重分布来实现电场管理[24]、[25]。这突显了对非理想GaN二极管中n型区域固定电荷分布进行综合分析的迫切需求，因为这些数据是p-GaN终端设计的基础。现有的非理想二极管耗尽区模型主要基于硅基器件，但由于制造工艺和掺杂方法的根本差异，这些模型不适用于GaN基系统[26]。

p-GaN层的参数特性是另一个重要考虑因素。p-GaN的掺杂浓度直接影响漂移层中的耗尽区厚度，从而决定了pn结的击穿特性。此外，非理想pn结中的p-GaN具有非均匀的固定电荷分布，层厚度和掺杂剖面都会显著影响这种空间变化。然而，目前关于非理想p-GaN结中电荷分布的研究仍然非常有限。这一知识空白严重影响了基于p-GaN的终端设计的效率，通常需要复杂的多区JTE、场板或保护环结构[15]、[21]、[24]、[25]、[27]。这些方法不可避免地增加了器件面积和工艺复杂性，成为降低成本和实现商业化的主要障碍。

本研究采用TCAD模拟系统地分析了反向偏压下GaN pn结中耗尽区的动态和电荷分布特性。研究建立了一个用于非理想GaN pn结的定量固定电荷分布模型，实现了两个重要目标：（i）为优化多层次终端结构提供理论基础；（ii）为GaN外延生长参数定义基本设计标准，以实现所需的器件性能。所提出的模型使得在外延生长过程中能够优化终端结构，从而大幅降低工艺复杂性和制造成本。这些进展填补了GaN器件物理学的关键空白，并为基于GaN的电力电子器件开发提供了宝贵见解。

部分摘录

仿真细节和建模

由于耦合的非线性偏微分方程（包括泊松方程、载流子连续性方程和电荷传输方程）的复杂性，非理想PN结中的耗尽区边界无法通过解析方法确定。这些耦合的控制方程在没有均匀掺杂剖面或几何约束条件下的反向偏压条件下没有封闭形式的解，因此需要计算密集型的数值方法

施加电压时的双向耗尽区扩展

广义超椭圆模型的边界端点（x₀，0）和（0，y₀）表现出明显的电压依赖性，这一点从模拟数据中得到了定量验证（图2(b)和2(c)）。在垂直边界（0，y₀），电场完全垂直（E_x → 0，图1(b)），y_{0参数遵循传统的pn结耗尽宽度理论[28]。该关系表示为：$$ 其中Wn_y表示n区中的耗尽区垂直宽度，εs}

结论

本研究系统地分析了GaN pn结在反向偏压条件下的击穿机制，特别关注电场拥挤效应。开发了一个分析模型来描述非理想结中的耗尽区边界分布，并通过TCAD模拟得到了严格验证。该模型揭示了电场拥挤机制，并有助于优化终端结构，包括结终端扩展、保护环等

CRediT作者贡献声明

Zhaojun Liu： 验证、项目管理和资金获取。Yibo Liu： 文章撰写 – 审稿与编辑、形式分析。Jingyang Zhang： 文章撰写 – 初稿撰写、验证、软件开发、方法论设计、数据整理。Xinyi Liu： 方法论设计、实验研究。Feng Feng： 方法论设计、实验研究、形式分析。Zichun Li： 文章撰写 – 审稿与编辑。Yujia Sheng： 验证、实验研究。Shan Huang： 文章撰写 – 审稿与编辑、实验研究。Man-Chun Tseng： 实验研究。Fion Sze-Yan Yeung：

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢香港科技大学的深圳思坦科技有限公司（NFF）在本次研究中的技术支持。作者还要感谢香港科技大学的Zinan Zhang女士提供的宝贵帮助。同时，作者感谢复旦大学のHuang Wei教授对研究工作的宝贵讨论。