钝化、掺杂与几何参数对GaN肖特基势垒二极管雪崩击穿的协同调控机理研究

《Journal of Computational Electronics》：Influence of passivation, doping and geometrical parameters on the avalanche breakdown of GaN SBDs

本文针对GaN基肖特基势垒二极管(SBD)在反向偏压下的提前击穿问题，通过蒙特卡洛模拟器与二维泊松方程自洽耦合的方法，系统研究了钝化层介电常数(κpas)、外延层掺杂浓度(ND)、厚度(WEP)和横向延伸长度(LEP)等参数对雪崩击穿电压的影响。研究发现高κ钝化、低掺杂、厚外延层及自对准外延结构能显著降低肖特基接触边缘的峰值电场，抑制隧穿注入和碰撞电离(II)过程，最终将击穿电压提升至60-100V量级。该研究为高频高功率GaN SBD的优化设计提供了关键理论依据。

　　

在太赫兹(THz)频率源和高压功率电子领域，肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)的性能直接决定了系统的输出功率和可靠性。传统砷化镓(GaAs)基SBD虽在高频领域表现优异，但其固有的低击穿电压和小尺寸特性限制了在500GHz以上频段的功率输出。氮化镓(Gallium Nitride, GaN)材料凭借3.44eV的宽禁带、高电子饱和速度和高临界击穿场强等优势，被视为突破这一瓶颈的理想候选材料。然而，实际GaN SBD的击穿电压远未达到理论预期，其核心矛盾在于反向偏压下肖特基接触边缘的电场拥挤效应会引发显著的隧穿电流，进而触发碰撞电离(Impact Ionization, II)过程，最终导致雪崩击穿的提前发生。

为揭示这一物理机制，《Journal of Computational Electronics》最新研究通过自主研发的半经典系综蒙特卡洛(Monte Carlo, MC)模拟器，首次实现了与二维泊松方程的自洽耦合计算。该模型精准纳入了电子隧穿注入、多能谷载流子输运、II事件以及介质-半导体界面表面电荷等关键物理过程，系统解析了钝化层介电常数、外延层掺杂浓度、厚度和横向尺寸等参数对击穿电压的协同影响。

关键技术方法方面，研究采用二维蒙特卡洛模拟耦合泊松方程求解器，涵盖GaN三能谷（Γ₁、U、Γ₃）电子输运模型和单能谷空穴模型，引入Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB)近似计算隧穿概率，并基于Keldysh公式处理碰撞电离事件。模拟结构基于真实平面GaN SBD，包含高掺杂n⁺衬底（5×10¹⁸cm^-3）和n^-外延层，通过调整钝化层κ_pas（1-25）、外延层掺杂N_D（10¹⁷-6×10¹⁷cm^-3）、厚度W_EP（350nm-2μm）和横向延伸L_EP（0-200nm）等参数进行系统性对比。

3.1 钝化层影响

对比无钝化（κ_pas=1）与高κ钝化（κ_pas=25）结构发现，高κ介质可使肖特基接触边缘峰值电场下降约30%，显著抑制隧穿注入。当反向偏压达35V时，无钝化二极管空穴电流占比接近电子电流，而高κ钝化结构将雪崩击穿阈值推升至40V以上。图3的载流子浓度分布图直观显示，无钝化时电子注入和II引发的空穴聚集集中分布于接触边缘，高κ钝化则使载流子分布更均匀。

3.2 外延层掺杂与厚度

当W_EP=350nm时，N_D从10¹⁷cm^-3增至6×10¹⁷cm^-3，击穿电压由70V降至60V。图4插图揭示关键机制：掺杂升高导致相同偏压下边缘电场增强，加速外延层全耗尽进程。而图5所示W_EP=2μm结构的击穿电压较350nm结构提升40%，且电流增长更平缓，证明厚外延层可延缓电场突变。

图7的垂直浓度剖面进一步表明，高掺杂（N_D=6×10¹⁷cm^-3）二极管在-100V时空穴浓度贯穿整个外延层，而低掺杂样本的空穴仅局限于接触区。图8的电場演化曲线更揭示，薄外延层（350nm）在击穿前出现电场尖峰，而厚外延层（2μm）的电场分布更稳定。

3.3 外延层横向延伸

L_EP从200nm缩减至0nm（自对准结构）时，击穿电压提升约25%。图10的载流子分布图显示，自对准结构中界面表面电荷诱导的耗尽效应显著削弱了边缘电场，使电子注入浓度降低一个数量级。值得注意的是，一维模拟因忽略边缘效应而低估电流值，凸显二维模拟对精准预测击穿行为的必要性。

研究结论表明，GaN SBD的雪崩击穿本质是隧穿注入与II过程的正反馈循环：高电场触发隧穿电子→引发II产生空穴→空穴聚集增强电场→进一步促进隧穿。通过高κ钝化（κ_pas=25）、低掺杂（N_D≈10¹⁷cm^-3）、厚外延层（W_EP≥1μm）和自对准外延（L_EP=0）的协同优化，可突破传统一维全耗尽近似局限，将击穿电压提升至100V以上。该研究建立的二维物理模型为高频高压GaN器件设计提供了普适性指导原则，虽然未考虑陷阱辅助隧穿等非理想效应，但揭示的击穿机制对GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)等器件同样具有重要借鉴意义。