低反向漏電自支撐襯底AlGaN/GaN肖特基二極管*

武鵬 張濤 張進成 郝躍

(西安電子科技大學,寬帶隙半導體技術(shù)國家重點學科實驗室,西安 710071)

氮化鎵材料具有大的禁帶寬度(3.4 eV)、高的擊穿場強(3.3 MV/cm),在高溫、高壓等方面有良好的應(yīng)用前景.尤其是對于鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料而言,由極化效應(yīng)產(chǎn)生的高面密度和高遷移率二維電子氣在降低器件導通電阻、提高器件工作效率方面具有極大的優(yōu)勢.由于缺乏高質(zhì)量、大尺寸的氮化鎵單晶襯底,常規(guī)氮化鎵材料均是在藍寶石、硅和碳化硅等異質(zhì)襯底上外延而成.較大的晶格失配和熱失配導致異質(zhì)外延過程中產(chǎn)生密度高達107—1010 cm–2 的穿透位錯,使器件性能難以進一步提升.本文采用基于自支撐氮化鎵襯底的鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備凹槽陽極結(jié)構(gòu)肖特基勢壘二極管,通過對歐姆接觸區(qū)域鋁鎵氮勢壘層刻蝕深度的精確控制,依托單步自對準凹槽歐姆接觸技術(shù)解決了低位錯密度自支撐氮化鎵材料的低阻歐姆接觸技術(shù)難題,實現(xiàn)了接觸電阻僅為0.37 Ω·mm 的低阻歐姆接觸;通過采用慢速低損傷刻蝕技術(shù)制備陽極凹槽區(qū)域,使器件陽極金屬與氮化鎵導電溝道直接接觸,實現(xiàn)了高達3 × 107 開關(guān)比的高性能器件,且器件開啟電壓僅為0.67 V,425 K 高溫下,器件反向漏電僅為1.6 × 10–7 A/mm.實驗結(jié)果表明,基于自支撐氮化鎵襯底的凹槽陽極結(jié)構(gòu)鋁鎵氮/氮化鎵肖特基勢壘二極管可以有效抑制器件反向漏電,極大地提升器件電學性能.

1 引言

得益于鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的高臨界擊穿場強、高面密度和高遷移率二維電子氣(2DEG)等優(yōu)勢,該異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件在下一代功率開關(guān)應(yīng)用中具有極大的潛力[1?4].GaN 肖特基勢壘二極管(SBD)在高耐壓、低導通電阻以及短反向恢復(fù)時間等方面,具有Si 和GaAs二極管難以比擬的優(yōu)勢[5?7],尤其是AlGaN/GaN SBD 和高電子遷移率晶體管在器件制備等方面表現(xiàn)出良好的兼容性,在實現(xiàn)低寄生電容、低寄生電感和高集成度的單片集成電路制備方面極具前景[8?15].

為了提高器件的整流效率同時擴大器件的應(yīng)用場景,AlGaN/GaN SBD 通常需要具備高擊穿電壓、低開啟電壓、低導通電阻和低反向漏電,基于此目標國內(nèi)外各單位已經(jīng)開展了大量的研究工作.在提高器件耐壓方面,2020 年,Xiao 等[16]采用P-GaN 終端技術(shù),實現(xiàn)了高達3.3 kV 的器件擊穿電壓;在降低器件開啟電壓方面,2021 年,Wang 等[17]采用復(fù)合金屬氮化物陽極結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了器件開啟電壓僅為0.30 V 的高性能AlGaN/GaN SBD;在降低器件反向漏電方面,2016 年,Ma 等[18]提出采用鰭型陽極邊緣終端結(jié)構(gòu),當器件處于反向偏置時,通過強電場夾斷器件漏電通道,極大降低了反向漏電;2018 年,Gao 等[19]采用濕法腐蝕技術(shù)移除陽極下方的AlGaN 勢壘層,避免了干法刻蝕中引入的等離子體損傷,實現(xiàn)了較小的器件反向漏電;2021年,Zhang 等[20]采用金屬-絕緣層-半導體陽極結(jié)構(gòu)取代常規(guī)肖特基電極,在低開啟電壓的前提下,實現(xiàn)了器件的低反向漏電.雖然通過一系列器件結(jié)構(gòu)以及制備工藝的優(yōu)化,凹槽陽極結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN二極管已經(jīng)實現(xiàn)了優(yōu)異的電學性能,但是常規(guī)基于邊緣終端結(jié)構(gòu)的低反向漏電AlGaN/GaN 二極管的實現(xiàn),通常會導致器件均勻性或正向?qū)娮璧耐嘶?

得益于逐漸成熟的GaN 襯底外延生長技術(shù)以及同質(zhì)外延過程中低晶格失配與熱失配優(yōu)勢,基于自支撐GaN 襯底的縱向結(jié)構(gòu)GaN 二極管器件展示出了巨大潛力[21?23].基于此優(yōu)勢,本文提出一種新型的基于自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料的凹槽陽極結(jié)構(gòu)SBD 器件.與常規(guī)異質(zhì)襯底AlGaN/GaN 外延片相比,采用同質(zhì)外延技術(shù)的自支撐襯底AlGaN/GaN 材料具有更低的穿透位錯密度[24?26],在抑制器件反向漏電方面具有更好的優(yōu)勢.本文所制備的基于自支撐氮化鎵襯底的凹槽陽極結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD 在保證器件低反向漏電的前提下,避免了陽極邊緣終端技術(shù)中對刻蝕深度精確控制的要求[8,9],以及刻蝕所引入的溝道中2DEG 遷移率及面密度的退化[27,28]等現(xiàn)象導致的器件正向?qū)ㄌ匦酝嘶膯栴}.當器件陽極偏置電壓為9 V 時,正向電流密度高達0.97 A/mm,且器件反向漏電僅為36 nA/mm,開關(guān)比高達3 × 107.

2 器件結(jié)構(gòu)與制備

本文制備的基于自支撐襯底AlGaN/GaN 異質(zhì)材料的SBD 器件結(jié)構(gòu)截面圖見圖1,其中LAC為陰陽極間距,LEX為器件陽極邊緣距離凹槽的長度.材料結(jié)構(gòu)由下至上依次為400 μm 自支撐GaN 襯底,1.5 μm 碳摻雜GaN 緩沖層,300 nm非故意摻雜GaN 溝道層,1 nm AlN 插入層,23 nm非故意摻雜Al0.23Ga0.67N 勢壘層以及2 nm GaN帽層,其中自支撐GaN 襯底采用氫化物氣相外延設(shè)備生長而成,其余各層均采用金屬-有機物化學氣相淀積設(shè)備淀積而成.在室溫下非接觸式霍爾測得AlGaN/GaN 外延片的2DEG 密度及遷移率分別為9.1 × 1012cm–2和1500 cm2/(V·s).

圖1 自支撐襯底凹槽陽極結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD 器件截面圖Fig.1.Schematic cross-sectional of AlGaN/GaN SBD with groove anode on free-standing GaN substrate.

器件隔離通過感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕設(shè)備采用Cl2和BCl3的混合氣體進行,總刻蝕深度約為150 nm,良好的臺面隔離有助于減小器件間的相互影響.歐姆接觸的制備首先采用ICP 將陰極區(qū)域的GaN 帽層和部分AlGaN 勢壘層移除,為了提高刻蝕均勻性同時減小刻蝕損傷,該過程僅采用BCl3為刻蝕氣體,刻蝕速率約為1 nm/min,總刻蝕深度約為22 nm.然后把刻蝕后的樣品直接放入電子束蒸發(fā)設(shè)備中淀積多層Ti/Al/Ni/Au(22/140/55/45 nm)金屬,金屬剝離后在氮氣氛圍下以830 ℃高溫快速熱退火35 s 形成歐姆接觸.該高均勻性、低損傷慢速刻蝕的自對準歐姆接觸制備技術(shù)有助于降低器件的接觸電阻,提高器件正向?qū)ㄌ匦?對于自支撐襯底AlGaN/GaN 外延片而言,由于材料穿透位錯密度較低,在高溫退火合金化的過程中歐姆接觸金屬難以電遷移到2DEG溝道中,因此需先對歐姆電極下方的AlGaN 勢壘層進行刻蝕,減小2DEG 到歐姆電極的隧穿距離,從而實現(xiàn)低阻歐姆接觸.接著,以光刻膠為掩膜,采用ICP 設(shè)備以BCl3為單一刻蝕氣體對陽極凹槽區(qū)域進行慢速低損傷刻蝕,總刻蝕深度約為35 nm,使陽極金屬與2DEG 溝道側(cè)壁直接接觸,實現(xiàn)較低的開啟電壓和較小的反向漏電,器件陽極凹槽刻蝕深度見圖2.將刻蝕后的樣品置于快速退火爐中,在氮氣氛圍下以470 ℃條件退火5 min,對樣品刻蝕損傷進行修復(fù),降低刻蝕過程中引入的缺陷對器件性能的影響.在陽極蒸發(fā)Ni/Au (30/150 nm)金屬,剝離之后再置于快速退火爐中,在氮氣氛圍下以450 ℃退火5 min.器件經(jīng)過退火處理后,陽極金屬與界面處的GaN 相互擴散并發(fā)生反應(yīng),形成較為復(fù)雜的金屬間化合物.該過程可有效降低陽極凹槽刻蝕過程中引入的損傷,降低肖特基界面態(tài)密度,實現(xiàn)低反向漏電和高正向電流.最后,采用等離子體增強原子層沉積(PEALD)設(shè)備生長20 nm Al2O3作為器件鈍化層.本文制備的圓形AlGaN/GaN SBD 陽極半徑為100 μm,陰陽極間距分別為6,10,15 和20 μm,陽極邊緣類場板長度為2 μm,該類場板結(jié)構(gòu)有助于減小陽極邊緣電場峰值,提高器件性能.

圖2 器件凹槽陽極深度Fig.2.Depth of the groove anode.

3 結(jié)果與討論

采用傳輸線模型(TLM,邊長W=100 μm)計算所得的器件歐姆接觸電阻見圖3.通過采用慢速低損傷刻蝕工藝對歐姆接觸電極下方AlGaN 勢壘層的厚度進行精確控制,實現(xiàn)了具有良好均勻性的低阻歐姆接觸,歐姆接觸電阻僅為0.37 Ω·mm,材料方塊電阻為410 Ω/□.由于基于自支撐氮化鎵襯底的AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料穿透位錯密度較低,高溫下歐姆接觸金屬難以電遷移到溝道2DEG 中,因此需采用凹槽歐姆制備技術(shù)實現(xiàn)較低的歐姆接觸電阻.該過程需精確控制歐姆接觸電極下方的AlGaN 勢壘層厚度,若厚度較厚會導致溝道中2DEG 需越過較寬的勢壘,厚度較薄會導致歐姆接觸電極下方的2DEG 密度降低,兩種現(xiàn)象均會導致歐姆接觸電阻的退化.

圖3 測試電阻與傳輸線模型電極間距的線性擬合Fig.3.Linear fitting of the measured resistance versus the TLM metal pad gap.

采用Keithley 4200 半導體參數(shù)分析儀對所制備的器件在室溫下進行正反向測試,首先從0 V到9 V 進行正向掃描,然后從0 V 反向掃描到–9 V,圖4 為半對數(shù)坐標下自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN SBD 的正反向掃描I-V曲線.本文定義器件陽極電流密度為1 mA/mm 時所對應(yīng)的陽極電壓偏置為器件開啟電壓,器件開啟電壓僅為0.67 V,當器件反向偏置電壓為–9 V 時,器件陽極反向漏電僅為3.6 × 10–8A/mm,開關(guān)比高達3 × 107.圖5 為近些年國際上所制備的基于不同襯底類型的AlGaN/GaN SBD 的開啟電壓和反向漏電的對應(yīng)關(guān)系[7,8,13?15,18,19,29,30],與凹槽陽極結(jié)構(gòu)異質(zhì)襯底AlGaN/GaN SBD 相比,采用同質(zhì)襯底的器件具有近似相同的器件開啟電壓和更小的反向漏電.

圖4 自支撐氮化鎵襯底凹槽陽極結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD的正反向I-V 曲線Fig.4.Forward and reverse I-V curve of the fabricated Al-GaN/GaN SBD with groove anode on free-standing GaN substrate.

圖5 不同襯底結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD 開啟電壓與反向漏電的對應(yīng)關(guān)系Fig.5.Benchmarking the turn-on voltage and reverse current of AlGaN/GaN SBDs with various substrate.

圖6(a)和圖6(b)分別為線性坐標和對數(shù)坐標下器件的正向特性,陽極偏置從0 V 逐漸施加到4 V,測試電壓步長為0.005 V.得益于自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN 異質(zhì)界面處較強的自發(fā)極化和壓電極化產(chǎn)生的高濃度和高遷移率2DEG,對于陰陽極間距為6 μm 的器件陽極偏置為4 V 時,正向?qū)娏鞲哌_526 mA/mm.分別定義器件比導通電阻為肖特基二極管正向?qū)娏髅芏葹?00 mA/mm 時所對應(yīng)的陽極電壓與電流的比值和有源區(qū)面積的乘積,器件微分導通電阻為正向I-V曲線斜率的倒數(shù)與有源區(qū)面積的乘積.在綜合考慮電流在器件陽極和陰極邊緣1.5 μm 的傳輸長度前提下,對于陰陽極間距分別為6,10,15,20 μm的器件,比導通電阻分別為1.27,2.08,3.29 和4.63 mΩ·cm2,微分導通電阻分別為0.44,0.86,1.59和2.55 mΩ·cm2.與微分導通電阻不同,比導通電阻同時考慮了器件開啟電壓的影響,采用低功函數(shù)金屬作為器件陽極,可以通過降低器件開啟電壓,有效降低器件的比導通電阻;低方阻外延材料的應(yīng)用,有助于降低器件微分導通電阻及比導通電阻.另外,本文刻蝕技術(shù)減小歐姆接觸金屬與溝道2DEG的距離,有助于減小器件的歐姆接觸電阻,提高正向?qū)娏?

圖6 (a)線性坐標和(b)對數(shù)坐標下不同陰陽極間距AlGaN/GaN SBDs 正向I-V 特性Fig.6.Forward I-V characteristics of the fabricated Al-GaN/GaN SBDs with various LAC in (a) linear-scale and(b) semi-log scale.

圖7 為制備的自支撐氮化鎵襯底上AlGaN/GaN SBD 溫度相關(guān)的電流特性,可以看出,隨著溫度的升高,溝道中的電子獲得更多的能量去越過界面勢壘,器件開啟電壓從0.67 V 降低到0.58 V,器件反向漏電從3.6 × 10–8A/mm 增加到1.6 ×10–7A/mm,自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN SBD在高溫環(huán)境下展示出了良好的應(yīng)用前景.

圖7 半對數(shù)坐標下自支撐氮化鎵襯底AGaN/GaN SBD 正反向I-V 特性隨溫度的變化關(guān)系Fig.7.Temperature-dependent forward and reverse I-V characteristics of AlGaN/GaN SBD on free-standing GaN substrate in semi-log scale.

對于肖特基勢壘二極管而言,器件正向?qū)ㄖ暗碾娏鬏斶\機制主要以熱電子發(fā)射模型為主,其I-V關(guān)系表達式為

式中,IS為器件飽和電流,RS為串聯(lián)電阻,η為理想因子,k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度.當陽極偏置電壓V >3kT/q時,I-V關(guān)系表達式可以簡化為

其中IS和η可以通過半對數(shù)坐標下I-V曲線線性區(qū)的截距和斜率計算得到.器件勢壘高度的表達式為

其中A為二極管器件面積,A*為有效理查森常數(shù).

由于GaN 肖特基二極管的正向?qū)娏饔蔁犭娮影l(fā)射電流和隧穿電流共同構(gòu)成,因此其有效勢壘高度受到由金-半界面的理想肖特基勢壘高度和由界面陷阱態(tài)引起的隧穿勢壘高度的共同影響.器件的理想因子可以有效表征熱電子發(fā)射電流在正向?qū)娏鞯恼急惹闆r,且熱電子發(fā)射電流占比越大,理想因子越接近于1,即器件受界面陷阱態(tài)影響較小,器件反向漏電越小.圖8 為器件理想因子和勢壘高度隨溫度的變化關(guān)系,當溫度由300 K升高到425 K 時,器件理想因子從1.64 降低到1.46,器件勢壘高度由0.75 eV 升高到0.90 eV,即隨著溫度的升高,器件正向輸運電流中,熱電子發(fā)射電流所占比重逐漸增加.器件陽極凹槽刻蝕過程中引入的刻蝕損傷、金屬沉積過程中光刻膠等雜質(zhì)的污染以及GaN 材料外延生長過程中的缺陷等因素是導致該非理想高溫I-V曲線的主要原因,優(yōu)化器件制備及材料生長工藝有助于減少非理想因素的影響,提高器件勢壘均勻性[31,32].

圖8 AlGaN/GaN SBD 理想因子及肖特基勢壘高度隨溫度的變化關(guān)系Fig.8.Extracted Schottky barrier height and ideality factor of AlGaN/GaN SBD as a function of the measured temperature.

4 結(jié)論

本文基于高質(zhì)量自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN外延片制備了具有低阻、低漏電和高導通電流特性的凹槽陽極結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD 器件.采用自對準歐姆接觸制備技術(shù)減小溝道中2DEG 與歐姆電極之間的隧穿距離,實現(xiàn)了低阻歐姆接觸,接觸電阻僅為0.37 Ω·mm,同時優(yōu)化了自支撐襯底AlGaN/GaN 外延片的低阻歐姆接觸制備技術(shù).得益于自支撐襯底外延材料與常規(guī)異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延片相比低缺陷密度的優(yōu)勢,器件常溫下反向漏電僅為3.6 × 10–8A/mm,開關(guān)比高達3 × 107,425 K高溫下器件反向漏電僅增加了3 倍.自支撐氮化鎵襯底AlGaN/GaN 器件在未來功率器件的應(yīng)用中展示出了極大的優(yōu)勢.