宽禁带科技论|MIS终端物理模型开发助力高性能GaN SBD的研制

在导体功率器件建模仿真过程中，在折中考虑高的击穿电压和优异的正向特性的情况下，也需要考虑制备过程中引入的表面缺陷，它会对器件正反向特性及可靠性产生影响。近期，河北工业大学、广东工业大学和南京大学联合开发并设计了一种基于Al2O3薄层的MIS终端结构模型，旨在削弱表面缺陷对GaN基SBD的性能影响，并对器件进行了实验制备与表征。

图1.（a）实验制备的MIS-SBD的结构示意图[1]；(b) MIS终端的TEM图片；MIS-SBD在（c）正向偏置和（d）反向偏置下的能带和载流子传输机制

图1（a）展示了实验制备的MIS-SBD器件结构，其中图1（b）是MIS终端结构的TEM图片。本工作的设计目的是利用Al2O3薄层设置在金半接触界面来提升接触势垒（见图1（c）-（d）），以抑制镜像力造成的势垒降低效应和界面缺陷相关的电流传输过程，从而进一步提升器件的击穿电压并减小漏电流。

图2.（a）MIS-SBD 漏电流随温度从300 K到375 K变化下和反向偏压的关系，以及 (b) MIS-SBD中Ln（I）与Ln（T2）之间的线性关系；不同漏电模型下的反向I-V特性曲线：(c) 参考SBD，(d) MIS-SBD

图2（a）显示了MIS-SBD在从300 K到375 K不同温度下的漏电流随反向偏压变化的情况。漏电流仅表现出温度依赖性，几乎不受反向电压的影响。在测试温度范围内，尽管漏电流增加了近两个数量级，但漏电流受施加偏压的影响较小，表明势垒降低效应引起的热发射过程不存在。图2（b）展示的Ln（I）和Ln（T2）之间的线性关系，证明了在反向偏置条件下，DT是MIS-SBD的主要漏电模型。图2 （c）和（d）定量地分析了不同电流传输模型对参考SBD和MIS-SBD的漏电流的影响。通过采用SCLC、VRH和TAT模型，可以重现实验的反向特性，而DT模型对于参考SBD的漏电流几乎没有贡献。相反，图2（d）显示了DT过程是MIS-SBD的主要漏电模型，与图2（a）和（d）中的实验结果吻合。最后，具体实验测试表征结果被展示在图3（a）-（d）中。与参考SBD相比，MIS-SBD在“硬击穿”发生之前漏电流保持在10-8 A/cm2，从而获得了1430 V的BV、3.5mΩ·cm2 的Ron,sp 和0.58 GW·cm−2 的BFOM，这些指标达到了先进水平；并且，通过使用图2中开发的载流子传输模型，模拟结果与测得的击穿特性取得了良好的一致性。

图3.（a）测试和仿真反向I-V特性曲线；（b）提出的MIS-SBD与报道的结构漏电流的对比；（c）MIS-SBD和参考SBD测试的击穿电压的统计；（d）提出的MIS-SBD与报道的二极管结构关于BV和Ron,sp的对比

研究结果最近被应用物理领域权威SCI期刊 Journal of Physics D: Ap-plied Physics收录，河北工业大学宽禁带半导体团队博士研究生黄福平为论文第一作者。

黄福平

本论文工作第一作者，河北工业大学宽禁带半导体团队博士研究生（导师：张紫辉教授），主要研究方向为GaN 宽禁带半导体功率器件的仿真设计与制备。以第一作者发表学术论文6篇，已授权的发明专利3项。

文章链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ad256c。

参考文献

[1] F. Huang, J. Ye, Z.-H. Zhang, et al., "1.43 kV GaN-based MIS Schottky barrier diodes," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 57, no. 18, p. 185102, 2024, doi: 10.1088/1361-6463/ad256c.