利用缺陷信息数据库探索界面工程，助力GaN基肖特基势垒二极管的研究

在电力电子器件的外延生长和器件制备过程中，特别是对于具有凹槽结构的GaN基肖特基势垒二极管（TMBS）而言，ICP刻蚀将不可避免地损伤材料的表面，产生大量的缺陷，最终牺牲器件的击穿电压、导通电阻等性能，同时影响器件的可靠性。近期，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队开发出了完备的缺陷信息数据库，并对GaN基TMBS的界面特性进行了系统性研究，深入剖析了界面缺陷对GaN基TMBS器件性能的影响，并完善了图1所展示的肖特基接触界面附近存在的载流子传输机制模型。

图1.肖特基接触界面附近存在的载流子传输机制：①热辐射过程，②镜像力模型（虚线），③直接隧穿过程，④陷阱辅助隧穿过程，⑤ SRH非辐射复合过程。

同时，本司技术团队还系统地研究了施主型缺陷（Donor-type traps）和受主型缺陷（Acceptor-type traps）对TMBS器件正向导通特性、反向漏电、击穿电压的影响，研究结果表明，主要来源于N空位的施主型缺陷是造成器件性能退化的主要原因。如图2（a）-（e）所示，离化的施主型缺陷形成的正电荷中心，将会削弱电荷耦合效应，从而造成GaN基TMBS器件势垒高度减小，漏电流提升，击穿电压降低。

图2.理想的TMBS整流器和实际的TMBS整流器的（a）正向I-V特性曲线，（b）导带分布和（c）反向I-V特性曲线；理想的TMBS整流器和实际的TMBS整流器的电场分布图：（d）横向分布（y=10.8μm），（e）纵向分布（x=4μm）。

为了有效地减小界面缺陷对器件性能的影响，技术团队提出并设计了一种MIS型TMBS器件结构，如图3（a）-（c）所示，该结构的金半接触界面处设置有1 nm厚的Al2O3绝缘层，可以有效地提升器件的势垒高度（qφs+qφT）；同时该模型中还准确地考虑了TMBS器件的界面缺陷模型，即侧壁缺陷和界面态缺陷。图3（d）展示了所设计的器件的反向IV特性曲线，可以发现设计有MIS结构的TMBS器件的反向漏电流显著减小，击穿电压提升，例如相对于具有Pt电极的TMBS器件，具有Pt电极的MIS-TMBS器件的漏电流减小了近3个数量级，击穿电压从1200 V提升到3200 V。

图3.（a）GaN基MIS-TMBS的结构示意图；GaN基MIS-TMBS肖特基接触界面附近存在的载流子传输机制：（b）正向偏置和（c）反向偏置；（d）具有不同的肖特基金属电极的理想TMBS整流器和实际MIS-TMBS整流器的反向I-V特性曲线。

参考文献

[1] "MIS-Based GaN Schottky Barrier Diodes: Interfacial Conditions on the Reverse and Forward Properties," IEEE Transactions on Electron Devices, 2022, doi: 10.1109/TED.2022.3201831.

审核编辑 黄昊宇