适于高压垂直型氮化镓功率器件的氟离子终端结构的设计与优化

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氮化镓(GaN)功率器件作为第三代半导体器件,具有较高的击穿强度、较低的导通电阻以及较快的开关速度,是下一代大功率及高频功率电力电子系统的首选器件。然而,对于新兴的垂直型GaN功率器件,器件在主结边缘形成的柱面结将会造成内部电场的聚集现象,并最终导致器件还未承受到理想平行平面结的耐压就过早地被击穿。虽然在垂直型碳化硅(SiC)和硅(Si)器件中,已证明了多种终端技术可减轻器件边缘处的电场强度,但是由于在GaN材料中实现选择性P型掺杂区域较为困难,因此将在Si和SiC高压器件中常用的基于结的终端结构用于垂直型GaN器件颇具挑战性。目前,国内外的研究者门已经开发出一些新的终端技术来缓解垂直型GaN功率器件的过早击穿现象,其主要包括:(1)通过高剂量(1016 cm-2)的离子注入来形成具有深能级陷阱的终端区域;(2)结合斜角终端技术,并精确控制器件P型区域和N型漂移层的掺杂浓度处在较为接近(1017 cm-3)的水平;(3)通过表面氮处理终端技术提高主结边缘的势垒高度以及有效势垒厚度。但是这些终端技术都很难帮助器件获得一个较高的耐压水平(>2000 V),同时部分终端技术还可能会对器件的正向特性带来一定的损害。针对以上的不足,本文提出了一种非常适合于垂直型GaN功率器件高效的氟离子终端技术。该终端技术通过利用氟离子能在GaN材料中形成稳定负电荷的特性,有效地调节了器件主结边缘电场的电场分布,从而缓解了提前击穿现象。此外,还以垂直型GaN PiN二极管为例设计和优化了用于高压GaN器件的氟离子终端结构,以抑制电场在pn结边缘处的拥挤,使得器件能够实现更高的反向耐压。并通过TCAD仿真工具全面研究了氟离子终端结构的关键参数,其中包括氟离子剂量、终端结构的厚度和宽度、斜面的角度、各区域之间的凹槽深度等,以揭示它们对耐压增强效果的影响。为了进一步提高器件耐压以及扩大氟离子有效的剂量窗口,我们还提出通过构建凹槽结构形成多区域终端结构,实现了氟离子剂量在整个终端区域中的锥形分布。
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