论文总字数：27192字

摘 要

如今，由于电子器件向各种应用的扩展，传统的半导体材料（Si和GaAs）已经不能满足所有需求。GaN由于高的临界电场（E_C~5×10⁶V/cm），宽能带隙（E_g~3.4eV）和高电子饱和速度（V_sat~3×10⁷cm/s），成为在恶劣环境和高温环境下工作的高功率和高频电子器件的理想材料。如今，高质量和低位错密度的GaN衬底已经商业化，GaN基肖特基二极管（Schottky Barrier Diode ,SBD）引起了越来越多的关注。

本文主要研究并设计了横向结构和准纵向结构的GaN基SBD器件。对横向结构，利用Silvaco仿真对器件正向导通原理和击穿机制进行了分析；接着研究了势垒层（barrier）Al组分、阴极阳极间距及势垒层厚度对器件正向特性和反向特性的影响，并分析了造成影响的原因，最终确定最佳横向器件工艺参数。对准纵向结构，同样分析了器件导通原理和击穿机制；并研究漂移区掺杂浓度和漂移区尺寸对器件电学特性影响，最终确定漂移区最佳浓度和厚度。

通过完整的仿真设计，本论文最终实现了520V击穿电压、1.2V导通电压、12 mΩ导通电阻的横向GaN基SBD器件，以及500V击穿电压、1V导通电压、217 mΩ导通电阻的准纵向GaN基SBD器件，完成了设计指标。

关键词：GaN 肖特基二极管 击穿电压 导通电阻

Abstract

Today, traditional semiconductor materials (Si and GaAs) are no longer sufficient for all applications due to the expansion of electronic devices into various applications. GaN has a high critical electric field (E_C~5×10⁶V/cm), wide bandgap (Eg~3.4eV) and high electron saturation speed (V_sat~3×10⁷cm/s), which is in harsh environment and high temperature environment. Ideal for working with high power and high frequency electronics. Today, high quality and low dislocation density GaN substrates have been commercialized, and GaN-based Schottky Barrier Diodes (SBDs) have attracted more and more attention.

In this paper, GaN-based SBD devices with lateral structure and quasi-longitudinal structure are mainly studied and designed. For the lateral structure, the forward conduction principle and breakdown mechanism of the device were analyzed by Silvaco simulation. Then the barrier Al composition, cathode anode spacing and barrier layer thickness were investigated for the forward characteristics and reverse of the device. The impact of the characteristics, and the reasons for the impact, and finally determine the optimal lateral device process parameters. Aligning the longitudinal structure, the device conduction principle and breakdown mechanism are also analyzed. The influence of the drift region doping concentration and drift region size on the electrical characteristics of the device is studied, and the optimal concentration and thickness of the drift region are finally determined.

Through the complete simulation design, this paper finally realized a lateral GaN-based SBD device with 520V breakdown voltage, 1.2V turn-on voltage, 12 mΩ on-resistance, and 500V breakdown voltage, 1V turn-on voltage, and 217 mΩ on-resistance. The quasi-longitudinal GaN-based SBD device has completed the design specifications.

KEY WORDS: GaN，Schottky Barrier Diode, breakdown voltage, on resistance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2肖特基二极管 3

1.2.1肖特基二极管研究背景 3

1.2.2肖特基整流理论 3

1.3 GaN材料以及GaN基肖特基二极管的研究现状 5

1.3.1 GaN材料特性 5

1.3.2 Al_xGa_1-xN/GaN异质结构 6

1.3.3 GaN基功率肖特基二极管研究现状 8

1.4主要研究内容及设计指标 12

第二章 仿真工具 Silvaco 14

2.1 Silvaco主要组件 14

2.2 仿真流程 16

2.2.1 创建结构 16

2.2.2 材料参数及模型 17

2.2.3 选择数值计算模型 18

第三章 横向结构肖特基二极管器件仿真 19

3.1 器件结构及工作原理 19

3.2 结构参数对器件电学特性影响仿真 21

3.2.1 barrier层中Al组分影响 21

3.2.2 阴极阳极间距产生的影响 22

3.2.3 barrier层的厚度的影响 24

3.3 横向器件性能小结 25

第四章 准纵向结构肖特基二极管器件仿真 27

4.1 器件结构及工作原理 27

4.2 漂移区掺杂和厚度的影响 28

4.3 准纵向器件小结 30

第五章 总结 32

致 谢 37

参考文献 34

绪论

1.1引言

对于支持现代人类社会生活方方面面所需要的信息和通信技术以及电力控制技术，电子技术是我们不能或缺的基本技术领域，Si，GaAs及其相关材料目前广泛用于电子学，如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），栅极匝式晶闸管（GTO）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这些半导体材料的构成主要位于元素周期表中的第三周期之下。另一方面，由元素周期表中的第二周期元素（如N和C）的SiC和GaN在几个电子应用领域作为“硬电子”的概念逐渐引起了人们的广泛关注，这是传统半导体材料不曾覆盖的。这些包含第二周期上元素的半导体是宽带半导体，其具有比Si和GaAs更小的晶格常数，键长也很小，但有更大的带隙能量。小的键长意味着组成原子之间的键合能强，结果，由轻元素组成的宽带隙半导体材料的化学稳定性非常高。此外，大的键合能和他们小质量带来大的声子能量，并且很难发生晶格散射，从而导致高导热率和高饱和漂移速度。对于高击穿电压来讲，高饱和漂移速度，即在高电场操作下漂移速度 - 电场强度关系的微分系数，要相比迁移率来讲更重要。GaN达到饱和漂移速度所需的电场强度比GaAs大近一个数量级。另一方面，由于带隙较大，击穿电场也变得很高，因此雪崩效应也很难发生。大的带隙能量也有助于减少高温下固有载流子的产生以及节点处的热电流泄露。另在散热方面，到目前为止，它的比热导率被认为低于Si的导热率，是散热的弱点。但最近，据报道，由于块状晶体生长的增长，高质量GaN晶体的比热导率显示出大于2W·cm^-2K^-1的更大值。也具有高热导率。

如今，由于电子器件向各种应用的扩展，传统的半导体材料（Si和GaAs）已经不能满足所有需求。这些领域包括低损耗开关器件，他是未来新型电力电子系统中高功率逆变器的重要组成部分，以及高功率高频（HF）器件，它们是无线通信基础设施的关键器件。如在无线通信系统中，移动基站使用的基于Si和GaAs器件的HF设备的效率一般只有30-40%；大部分功率损耗是通过发热产生的。这也是基站均要配备散热系统原因。如果有48V工作电压和高放大效率的HF设备，将大大节省能源和空间。而且未来在5G通信领域，GaN材料本身的高功率密度、高功率附加效率（PAF）、高增益以及易于实现阻抗匹配的特性刚好和5G要求匹配上。

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