【摘要】 本文对文献中的能带隙、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相关模型参数进行了回顾和比较。

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。本文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TCAD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。

 

本文对文献中的能带隙、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相关模型参数进行了回顾和比较。这些主要是经验模型参数分布广泛，导致 TCAD 模拟结果之间以及与实验结果存在相当大的分歧。我们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 仿真可准确模拟正向和反向 I-V高压体 GaN PN 二极管的特性，它们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。

 

值得注意的是，许多二阶效应，如电子和空穴寿命的温度依赖性、陷阱的分布等，没有包括在这项工作中，主要是因为对这些问题的研究有限。尽管如此，我们的建模和实验数据之间的良好一致性使我们有一定的信心，我们工作中使用的物理模型和参数应该为在不久的将来用低位错密度块状 GaN 材料制造的其他功率器件的 TCAD 模拟提供基础。

如图 1. 仿真器件示意图 (a) 40μm n 漂移层，掺杂浓度为 6x1015 cm−3 (有源面积 0.11 mm2 )，用于正向偏置仿真 (b) 15μm 厚漂移层，掺杂浓度为 2x1016 cm−3 ( 0.72 mm2 ) 用于反向偏压击穿模拟。【1】

 

对有源面积分别为 0.11 mm2 (3.7 kV) 和 0.72 mm2 (2.6 kV) 的 PN 二极管进行正向导通和反向击穿仿真。 3.7 kV 器件具有 40 µm n 漂移层，掺杂浓度为 6x1015 cm−3 ，薄 0.5 µm n+ 阴极区域，掺杂浓度为 1x1019 cm−3 ，以及 1.5 µm 厚 p+ 层，有效掺杂为5.2x1017 cm−3 。 2.6 kV 器件具有 15 µm 厚的 n 漂移层，掺杂浓度为 2x1016 cm−3 ，0.5 µm n+ 阴极区域，掺杂浓度为 1x1019 cm−3 ，以及 1.5 µm 厚的 p+ 层，有效掺杂为5.2x1017 cm−3 。与厚 n 漂移层的体电阻贡献相比，选择较厚的器件进行正向模拟有助于最大限度地减少寄生电阻和接触电阻的贡献。这样可以更准确地模拟迁移率、寿命和带隙对二极管 I-V 特性的影响。

 

然而，没有报道 40 µm 器件的详细反向偏压击穿电压数据，而 15 µm 器件可提供该数据。不幸的是，没有报告 15 µm 器件的正向偏置数据。因此，必须模拟两种不同的器件来比较反向和正向偏置特性。设计的两种GaN P-N二极管的原理图如图1所示。

 

【1】G. Sabui, P. J. Parbrook, M. Arredondo-Arechavala, Z. J. Shen; Modeling and simulation of bulk gallium nitride power semiconductor devices. AIP Advances 1 May 2016; 6 (5): 055006. https://doi.org/10.1063/1.4948794

 

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