半导体器件仿真应用于块状氮化镓功率半导体器件的建模

氮化镓 (GaN) 是一种极具前景的宽带隙半导体材料，可在高频电力电子应用中取代硅^[1]。虽然横向高电子迁移率晶体管 (HEMT) 仍然是最流行的 GaN 器件类型，但垂直体 GaN 功率器件已近年来也引起了很大的兴趣^[2,3]。

在蓝宝石、硅或碳化硅衬底上的异质外延层上制造的 GaN HEMT 具有潜在的较低制造成本，但目前存在高穿透位错密度（~1010 cm⁻²）由于外延膜和异质衬底之间固有的晶格失配，因此存在相关的可靠性问题。垂直块状 GaN 功率器件可以克服横向 GaN HEMT 的局限性，例如电流崩塌现象和缺乏雪崩能量能力，最近已经成为一种可能，高质量的独立式块状 GaN 材料越来越多地以较低的成本获得。

近年来，块状氮化镓 (GaN) 功率半导体器件引起了人们的极大兴趣，因此需要计算机辅助设计 (TCAD) 仿真技术来准确建模和优化这些器件。全面回顾和比较了文献中不同的GaN物理模型和模型参数，并讨论了半导体器件仿真仿真时这些模型和参数的适当选择。

对 2.6 kV 和 3.7 kV 块状 GaN 垂直 PN 二极管进行了二维漂移扩散半经典模拟。即使在很宽的温度范围内，模拟的正向电流-电压和反向击穿特性也与测量数据非常吻合。

对能带隙、不完全电离、电子和空穴迁移率、极化、碰撞电离、辐射和非辐射复合的物理模型以及文献中的相关模型参数进行了回顾和比较。这些大多是经验模型参数具有广泛的应用前景。传播并导致 TCAD 模拟结果之间以及与实验结果存在相当大的分歧。

报告了一种根据文献中报道的最新块状 GaN 器件的测量数据选择物理模型和模型参数的方法。我们的 TCAD 仿真准确地模拟了高压体 GaN PN 二极管的正向和反向 I-V 特性，这些二极管本身就是重要的功率器件，但也可作为其他更复杂 GaN 器件的基本构建块。

[1] X. Huang, Z. Liu, Q. Li, and F.C. Lee, in Conf. Proc. - IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. - APEC 1279 (2013).

[2]I.C. Kizilyalli, A.P. Edwards, O. Aktas, T. Prunty, and D. Bour, IEEE Trans. Electron Devices 62, 414 (2015).

[3] D. Disney, H. Nie, A. Edwards, D. Bour, H. Shah, and I.C. Kizilyalli, in Proc. Int. Symp. Power Semicond. Devices ICs (Kanazawa, 2013), pp. 59–62.

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