P⁃NiO/β⁃Ga₂O₃ 异质结肖特基二极管电学特性仿真

Simulation of Electrical Characteristics of P⁃NiO/β⁃Ga₂O₃ Schottky Diodes

摘要

针对氧化镓P型掺杂难导致同质PN结二极管难以制备， 无法满足大功率工况下对高耐压肖特基二极管（Schottky Barrier Diode， SBD）的需求， 提出一种基于P-NiO组成的P-NiO/β-Ga₂O₃异质结型二极管结构， 重点研究了具有P-NiO保护环、 场板辅助P-NiO保护环以及场板辅助结势垒结构的3种终端结构的PN结二极管的电学特性。结果表明： 场板结构可以有效缓解电场集中效应， 场板辅助结势垒结构的β-Ga₂O₃ PN结二极管反向击穿电压显著提升， 与P-NiO保护环结构（2 536.4 V）、 场板辅助P-NiO保护环结构（2 338.2 V）相比， 当P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时， 击穿电压达3 312 V， 分别提升30.6%和41.6%； 器件功率品质因数达7.02 GW/cm²， 较常规结构（3.51 GW/cm²）提升100%， 较P-NiO保护环结构最高值（4.15 GW/cm²）提升69.1%。本研究为研制高性能β-Ga₂O₃ SBD器件提供了理论依据。

Abstract

Due to the difficulty in doping gallium oxide to achieve P-type， it is challenging to fabricate homogeneous PN junction diodes， which fail to meet the requirements for high-voltage Schottky diodes in high-power applications. A P-NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction Schottky diode structure based on P-NiO composition is proposed. The electrical properties of 3 kinds of PN Schottky diodes with P-NiO protection ring， field plate-assisted P-NiO protection ring， and field plate-assisted junction barrier structure are mainly studied. Simulation results show that the field plate structure can effectively alleviate the electric field concentration effect. The reverse breakdown voltage of the field-aided barrier structure in the β-Ga₂O₃ PN junction diode shows significant improvement. Compared with the P-NiO protection ring structure （2 536.4 V） and the field-aided P-NiO protection ring structure （2 338.2 V）， when the P-NiO doping concentration reaches 3×10¹⁸ cm^-3， the breakdown voltage reaches 3 312 V， representing increases of 30.6% and 41.6% respectively. The device’s power factor reaches 7.02 GW/cm²， achieving a 100% improvement over conventional structures （3.51 GW/cm²） and demonstrating superior performance compared to other configurations， the maximum value of P-NiO protective ring structure （4.15 GW/cm²） was increased by 69.1%. The research in this paper provides a theoretical basis for the development of high-performance β-Ga₂O₃ SBD devices.

Graphical abstract

关键词

氧化镓 / 肖特基二极管 / 击穿电压 / 电场集中效应 / 功率品质因数

Key words

Ga₂O₃ / schottky diodes / breakdown voltage / electric field concentration effect / power figure of merit

0 引　言

作为新一代超宽禁带半导体的核心代表， 氧化镓（Ga₂O₃）材料凭借其4.6~4.9 eV超宽带隙、 8 MV/cm高临界电场（E_C）、 可精确调控的N型掺杂（载流子浓度范围为10¹⁶~10²⁰ cm^-3）及熔体法制备4英寸及以上大尺寸单晶衬底的成本优势^［1］， 已成为高压功率器件领域极具变革潜力的核心材料。在各类Ga₂O₃功率器件中， 垂直结构的Ga₂O₃肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode， SBD）由于有效克服了横向器件固有的电流聚集效应与衬底寄生电阻问题， 其工程化进程相较于其他器件结构更为领先。最新对比研究数据表明， 垂直结构Ga₂O₃ SBD在功率品质因数方面展现出超越4H-SiC器件的理论优势， 尤其在10 kV以上高压场景中优势更为显著^［2］。目前， 国际前沿水平的Ga₂O₃垂直二极管已实现2.89 kV的击穿电压（Breakdown Voltage， BV）及约1 GW/cm²的直流功率品质因数（Power Figure of Merit， PFOM）， 但该性能仅达到其本征材料理论极限值的30%~40%^［3］。

为系统性提升Ga₂O₃ SBD的电学性能， 学术界与产业界已广泛采用沟槽刻蚀、 场板调制、 高介电常数介质钝化及深能级受主掺杂等边缘终端技术， 通过优化器件边缘电场分布以抑制提前击穿现象^［2‐8］。然而， 在β-Ga₂O₃器件应用中， 这些技术存在一定瓶颈。沟槽刻蚀工艺在采用氯基化学试剂时， 容易在β-Ga₂O₃刻蚀结构中引发电荷补偿问题， 导致导通电阻增大， 并且（010）晶面尤其容易受到刻蚀损伤， 刻蚀副产物还会影响沟槽深度一致性与侧壁均匀性^［9］。场板调制虽然能够调节电场， 但如果参数设计不当， 可能会引入新的电场集中点， 同时增加器件电容， 进而影响开关速度^［10］。与此同时， 近期研究成果表明， PN结终端结构能够通过空间电荷区的电场调控机制， 有效削弱电极边缘的电场集中效应^{［11‐12］}。如在相关研究中， 通过在器件边缘注入特定离子（如氦离子）形成高阻的“虚拟保护环”， 能够有效缓解电场集中， 该原理同样适用于β-Ga₂O₃器件^［13］。然而， 对于β相氧化镓（β-Ga₂O₃）这一最具实用价值的晶型而言， P型掺杂的实现始终是制约其器件性能突破的关键瓶颈^［14］。其根本原因在于β-Ga₂O₃具有超大的禁带宽度， 且其价带顶呈现极端平坦的色散特性， 导致空穴有效质量极大， 同时易引发严重的自补偿效应， 使得在现有工艺条件下难以实现高浓度、 高迁移率的Ga₂O₃ P型掺杂（P-Ga₂O₃）^［15］。为突破这一材料限制， 当前研究普遍采用异质集成策略， 即引入其他P型半导体材料与Ga₂O₃形成异质结终端结构， 此类异质结终端的Ga₂O₃ SBD因其在耐压特性上的显著优势， 已成为功率器件领域的研究热点^{［5，16‐19］}。在众多候选材料中， NiO作为一种典型的宽禁带P型半导体， 其3.8~4.2 eV的禁带宽度与Ga₂O₃形成良好的能量匹配（导带阶约为1.7 eV， 价带阶约为1.4 eV， 可有效抑制载流子反向注入）， 且具有较高的空穴浓度与稳定性， 已被证实是替代P-Ga₂O₃的理想选择。目前， 国内外多个研究团队已报道了P-NiO/β-Ga₂O₃异质结肖特基二极管的研究成果^{［20‐21］}， 所制备的二极管已实现了数千伏的击穿电压和低比导通电阻（R_on，sp）^{［17‐18，22‐25］}。

为了进一步详细研究P-NiO/β-Ga₂O₃异质结肖特基二极管电学特性， 本文设计了具有P-NiO保护环、 场板辅助P-NiO保护环以及场板辅助结势垒结构的3种终端结构， 重点研究了P型NiO掺杂浓度和厚度对以P-NiO为保护环的β-Ga₂O₃基异质结二极管的正向导通特性和反向击穿特性的影响规律。本文为高耐压、 高PFOM的Ga₂O₃ SBD结构设计与工艺制备提供了重要理论依据， 同时为超宽禁带半导体异质集成器件的性能优化研究提供了新的技术路径与研究思路。

1 仿真模型

本文设计了3种Ga₂O₃ SBD仿真结构， 如图 1 所示。图 1（a） 为常规β-Ga₂O₃ SBD垂直结构图， 图 1（b） 为带有P-NiO作为保护环（Channel Blocking Layer， CBL）的β-Ga₂O₃ SBD结构图， 图 1（c） 为带有场板结构辅助P-NiO CBL的β-Ga₂O₃ SBD结构图， 图 1（d） 为场板辅助结势垒结构（Field Plate assisted Junction Barrier Schottky， FP JBS）的β-Ga₂O₃ SBD结构图。所有二极管的衬底为β-Ga₂O₃（001）晶向高掺杂N型层（N⁺）， 厚度50 µm， 掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3； 外延层为β-Ga₂O₃（001）晶向低掺杂N型漂移区（N⁻）， 厚度 10 µm， 掺杂浓度2×10¹⁶ cm^-3， 阳极金属（Ni/Au）与Ga₂O₃接触面形成肖特基接触， 阴极金属（Ti/Au）与Ga₂O₃高掺杂衬底接触面形成欧姆接触。器件仿真具体结构参数如图 1 所示， 关键参数如下： CBL长度10 μm， 场板宽度8 μm， 结势垒终端结构中P-NiO区域长度4 μm， 间隔7 μm， 阳极直径50 μm。

为了优化二极管结构并获得高击穿特性， 仿真分析了器件在不同P-NiO掺杂浓度（3×10¹⁵~3×10²⁰ cm^-3）和厚度（20~100 nm）下的电学特性。为准确模拟器件， 确保仿真结果的可靠性， 本文通过查阅文献获取了NiO的关键材料参数^{［17，20］}， 如表 1 所示。在具体仿真中， NiO的禁带宽度选择4.0 eV。4.0 eV 是该区间的典型值， 且被广泛应用于与宽禁带半导体（如Ga₂O₃、 ZnO 等）的异质结仿真中， 具有较好的实验验证基础。临界电场在仿真中采用5.5 MV/cm， 该数值与β-Ga₂O₃的临界电场（8 MV/cm）匹配， 可有效模拟异质结电场分布。

2 结果与讨论

2.1 NiO CBL P型掺杂浓度对器件电学特性的影响

图 1（b） 为带有CBL结构的β-Ga₂O₃ SBD结构图， 掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3的N型Ga₂O₃作为衬底， 掺杂浓度为2×10¹⁶ cm^-3、 厚度为10 μm的N型Ga₂O₃薄膜作为外延层， 阳极金属与轻掺杂外延层形成肖特基接触， 仿真设置阳极金属功函数为4.7 eV， 阴极金属与重掺杂衬底形成欧姆接触。在阳极下方两侧设置P-NiO CBL区， 厚度50 nm， 长度10 μm。

为了探究P-NiO CBL的掺杂浓度对该结构电学特性的影响， 本研究固定CBL区域厚度不变， 通过改变P-NiO掺杂浓度开展仿真研究。图 2（a） 为掺杂浓度范围在3×10¹⁵~3×10²⁰ cm^-3内的器件正向导通特性曲线。不同掺杂浓度下， 器件开启电压（V_th）和导通电阻（R_on）均无显著变化， V_th约为0.82 V， 计算得出R_on约为1.56 mΩ·cm^-2。仿真常规β-Ga₂O₃ SBD器件得到开启电压V_th为0.83 V， 计算得出导通电阻R_on为1.4 mΩ·cm^-2， 将图 1（a） 和 （b） 的仿真结果对比发现， P-NiO作为CBL的β-Ga₂O₃ SBD与常规β-Ga₂O₃ SBD正向电学特性相比， 开启电压和导通电阻值有所增加， 原因是P-NiO/β-Ga₂O₃异质结形成的界面势垒（约0.85 eV）略高于常规肖特基势垒（0.83 eV）， 导致载流子注入难度增加。

图 2（b） 为反向偏置下P-NiO不同掺杂浓度的器件反向击穿特性的仿真结果。当P-NiO掺杂浓度依次为3×10¹⁵、 3×10¹⁶、 3×10¹⁷、 3×10¹⁸、 3×10¹⁹、 3×10²⁰ cm^-3时， 器件反向BV分别为2 442.5、 2 443.7、 2 440.2、 2 446.9、 2 402.9、 2 399.2 V。由仿真结果可以得到， 当P-NiO CBL掺杂浓度小于3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV随着P-NiO CBL掺杂浓度的增加而增大； 当P-NiO CBL掺杂浓度大于3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV随着P-NiO CBL掺杂浓度的增加而减小； 当P-NiO CBL掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时， 在未优化CBL厚度的条件下， 器件BV达到最高值2 446.9 V， 计算得对应PFOM为5.79 GW/cm²。常规β-Ga₂O₃ SBD仿真得到BV为2 216.93 V， 计算得对应PFOM为3.51 GW/cm²， 其计算公式为

PFOM=\frac{V_{\mathrm{b}\mathrm{r}}^{\mathrm{2}}}{R_{\mathrm{o}\mathrm{n},\mathrm{s}\mathrm{p}}},（1）

式中： V_br为反向击穿电压； R_on，sp为导通电阻。

图 3 为不同P-NiO掺杂浓度的器件电场分布图， 导致BV先变大再变小是由于P-NiO CBL掺杂浓度改变引起击穿位置的改变。当掺杂浓度较低（3×10¹⁵ cm^-3）时， 耗尽区向漂移层延展程度较小， 击穿位置仍位于金属阳极边缘， 随着掺杂浓度的增加， 耗尽区逐渐向漂移层延展， CBL β-Ga₂O₃作用逐步增强， 击穿位置从金属阳极边缘转移到阳极下方氧化镍P型掺杂区域与β-Ga₂O₃ N型掺杂区域交界处。P-NiO浓度范围在3×10¹⁵~3×10¹⁸ cm^-3时， 击穿位置附近耗尽区最为宽阔且平缓， BV电压达到最大值； 进一步增加掺杂浓度到3×10¹⁹ cm^-3和3×10²⁰ cm^-3， 会使击穿位置逐步转移至P型CBL边角处， 较前者区域平缓程度有所减弱， BV随之降低。

反向电学特性对比结果发现， P-NiO作为CBL的β-Ga₂O₃ SBD的BV比常规β-Ga₂O₃ SBD有大幅提升。仿真结果表明， P-NiO CBL的最优掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3， 此时器件BV较常规结构提升10.4%， PFOM提升65%， 验证了该结构在改善器件直流性能上的有效性， 并为CBL参数优化提供了量化依据。

2.2 P⁃NiO CBL厚度对器件电学特性的影响

为了进一步分析NiO厚度对β-Ga₂O₃ SBD器件击穿特性的影响规律， 采用如图 1（b） 所示结构， 并保持P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3的最优数值不变， 调整P-NiO厚度对结构进行电学特性仿真。

图 4（a） 为CBL厚度范围在20~100 nm变化时器件的正向特性曲线。计算出不同CBL厚度下， 器件的导通电阻均为1.55 mΩ·cm^-2， 器件开启电压V_th稳定在1.04 V， 这表明表面P-NiO厚度对器件的正向导通特性即导通电阻和开启电压的影响不明显。

图 4（b） 为器件反偏下CBL NiO厚度与器件反向特性变化曲线。由仿真结果可知， 当P-NiO厚度依次为20， 40， 60， 80， 100 nm时， 器件反向BV分别为2 524.5， 2 525.3， 2 525.6， 2 536.4， 2 526.0 V。当P-NiO厚度小于80 nm时， 器件BV随着P-NiO CBL厚度的增加而增大； 当厚度大于80 nm时， 器件BV随着P-NiO CBL厚度的增加而减小； 厚度为80 nm时， 器件BV达到最高值2 536.4 V， 对应PFOM为4.15 GW/cm²。随P-NiO厚度变化， PFOM趋势与BV一致， 在80 nm时达到最大值， 较20 nm厚度提升约0.4 GW/cm²。

为了探究CBL对BV产生影响的原因， 对在不同P-NiO厚度下所对应的电场分布情况进行了分析， 如图 5 所示。加入CBL后的器件， 其P-NiO与N型Ga₂O₃扩散层形成的耗尽区主要承担所施加的反偏电压， 在P-NiO CBL底角处电场达到峰值， 易发生击穿。若CBL厚度较小， P-NiO易穿通， 器件反向BV小， 耐压特性差； 当厚度增大， 器件变得不易击穿， 则反向BV变大， 耐压性能显著提升； 厚度进一步增大， 底角处的电场集中效应变得更明显， 击穿电压再次下降。综上所述： P-NiO CBL的最优厚度为80 nm， 此时器件在保持低导通电阻的同时， 实现2 536.4 V的BV及4.15 GW/cm²的PFOM， 该结果为β-Ga₂O₃ SBD CBL工艺设计提供了量化参考。

2.3 场板结构对器件电学特性的影响

电场集中效应是直接影响SBD反向特性的重要因素， 它严重限制了SBD的击穿电压， 同时使得反向漏电流增加， 进而大幅降低电子器件的可靠性， 甚至可能会严重影响器件寿命。场板结构可极大改善SBD的电场集中效应， 同时拥有工艺实现简易、 面积小和成本低等优点， 综合而言具备极佳的应用性价比。

对图 1（c） 场板结构辅助P-NiO CBL的β-Ga₂O₃ SBD结构进行器件正向特性仿真， 根据P-NiO CBL结构仿真结果， 选取其性能最优参数， 固定P-NiO区域掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3， 厚度为80 nm。再添加场板结构， 其仿真的正向导通特性曲线如图 6（a） 所示。从仿真结果可知： 开启电压约为0.81 V， 与无场板结构基本一致， 计算得出导通电阻约为1.81 mΩ/cm²。图 6（b） 为带有场板的CBL结构的β-Ga₂O₃ SBD结构对应的反向击穿特性曲线。仿真结果可知BV为2 338.2 V， 计算对应PFOM为5.32 GW/cm²。

以上仿真结果表明， 加入P-NiO CBL结构的β-Ga₂O₃ SBD有效提高了传统器件的BV， 观察图 7 电场峰值对比图及图 8 电场分布图可知， 在肖特基结耗尽区两侧的电场强度很高， 电场集中效应明显， 导致局部电场过高， 容易引发过早击穿， 增大反向漏电流。

而加入场板结构后， 将电场峰值转移至场板介质边缘处， 电场峰值从阳极边缘的8.64 MV/cm降低至场板介质边缘的4.31 MV/cm， 研究结果表明， 场板结构可以有效改善阳极边缘处所产生的电场集中效应。

2.4 结势垒终端结构对器件特性的影响

在图1（c）结构基础上于阳极下方注入3个长4 μm， 间隔7 μm的P-NiO区域， 设计出图 1（d） 的FP JBS β-Ga₂O₃ SBD。P-NiO厚度取之前仿真的最优参数80 nm， 改变掺杂浓度进行仿真。

图 9（a） 为掺杂浓度范围在3×10¹⁵~3×10²⁰ cm^-3内的器件正向导通特性曲线， 对应开启电压均为0.8 V， 计算可得不同掺杂浓度导通电阻均为1.58 mΩ/cm²。可以得出不同掺杂浓度对器件正向电学特性几乎无影响， 与基础结构、 CBL结构以及带场板结构的β-Ga₂O₃ SBD相比有明显降低。

图 9（b） 为掺杂浓度范围在3×10¹⁵~3×10²⁰ cm^-3内的器件反向击穿特性曲线。由仿真结果可以得到， 当P-NiO掺杂浓度小于3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV随着P-NiO掺杂浓度的增加而增大； 当P-NiO掺杂浓度大于3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV随着P-NiO掺杂浓度的增加而减小； 当P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV达到最高值3 312.0 V， 计算得对应PFOM为7.02 GW/cm²， 较CBL结构最高值（4.15 GW/cm²）提升69.1%， 较带场板结构（5.32 GW/cm²）提升32.0%， 显著优于其他结构。仿真分析表明， 通过在阳极下方的扩散层中注入若干较窄的均匀掺杂的P型区， 可以提高器件的反向击穿电压。FP JBS SBD的反向击穿电压随P-NiO掺杂浓度先增后减的趋势与CBL结构的研究结果一致， 其本质均为通过调控 P-NiO/β-Ga₂O₃异质结的空间电荷区宽度与电场分布实现性能优化。不同的是， 结势垒终端结构通过多P区的协同耗尽效应， 进一步分散电场， 故BV提升更显著（较CBL结构最高值提升35.9%）。

3 结　论

本文针对β-Ga₂O₃ SBD存在电场集中效应、 影响反向击穿电压的问题， 通过Sentaurus TCAD软件仿真， 采用加入场板及P-NiO CBL的方式进行优化设计， 并分析器件电学特性。研究发现， 加入P-NiO设计的带有CBL终端结构的β-Ga₂O₃ SBD， 其反向特性与P-NiO CBL掺杂浓度及厚度相关。当P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时， BV达2 446.9 V； CBL厚度为80 nm时， 反向BV提升至2 536.4 V， 较常规器件2 216.93 V提升14.4%， 验证了P-NiO CBL对器件性能的优化作用。3种终端结构中， 引入P型NiO阵列形成的FP JBS为参数最优的终端结构： 当P-NiO掺杂浓度为3×10¹⁸ cm^-3时， 器件BV可达3 312.0 V， PFOM为7.02 GW/cm²， 较CBL结构最高值（4.15 GW/cm²）提升69.1%。综上所述， 引入P-NiO CBL结构和结势垒结构可显著提升β-Ga₂O₃ SBD的BV， 场板结构可改善边缘电场集中效应。本文明确了P-NiO CBL的最优参数及结势垒终端结构的优势， 为高性能β-Ga₂O₃ SBD的结构设计与工艺优化提供了理论依据。

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基金资助

山西省重点研发计划资助项目(202302030201001)

国家自然科学基金资助项目(62301509)

山西省基础研究计划青年项目(202203021212191)

国家自然科学基金专项资助项目(62441110)