双异质结硅衬底上的 AlGaN/GaN 肖特基势垒二极管的理论和实验研究

介绍

由于二维电子气 (2DEG) 的高电子迁移率、高电子饱和速度和高击穿电场，基于 AlGaN/GaN 异质结构的横向二极管是一种有吸引力的器件 [1,2,3]。已作出广泛努力以实现低导通电压 (V ON)、低反向漏电流和高击穿电压 (BV)，用于电源和功率因数校正的转换器和逆变器中使用的 GaN 二极管 [4,5,6,7,8,9,10,11,12 ]。已经提出了各种方法来解决电场的非均匀分布。其中之一是场板 (FP) 技术 [5, 13]。具有双场板的全凹入阳极 SBD 在 25 μm L 下实现了 1.9 kV 的高击穿电压 交流 [5]。它还可以显着降低导通电压，同时保持高击穿电压。此外，硅技术中常用的传统减少表面场 (RESURF) 概念已在 GaN HEMT 中得到证明 [14]。此外，为了改善比导通电阻 (R ON,SP) 和 BV [15,16,17,18]。基于PJ概念的GaN基器件已经在蓝宝石和SiC衬底上进行了演示，而SiC衬底上GaN的高成本和小直径不利于大规模商业应用。由于成本低，具有大直径的 GaN-on-Si 被认为是一种有前途的选择 [19,20,21,22]。因此，PJ二极管在硅衬底上的性能值得研究。

在这项工作中，我们提出并实验证明了一种具有双异质结 (DJ) 的 GaN/AlGaN/GaN-on-Si 肖特基势垒二极管。通过模拟和实验证实了极化结效应。实现了阳极和阴极电极之间的平坦电场（E 场）。蚀刻肖特基沟槽的ICP工艺经过优化，可实现低反向漏电流和低V ON 具有出色的蚀刻均匀性。欧姆接触工艺也经过优化，以基于定制的外延层（具有 45 nm GaN 顶部）实现低接触电阻（对于 2DEG）。因此，对于具有 11 μm L 的 SBD，实现了 1109 V 的击穿电压 AC 和 Baliga 的品质因数 (FOM) 为 1051 MW/cm ² .温度依赖性和动态 R 还研究了 ON、SP 性能。

方法与实验

外延层通过金属有机化学气相沉积在 6 英寸 p 型硅上生长，由 3.5 微米 GaN 缓冲层、150 纳米 GaN 沟道层、1 纳米 AlN 中间层、45 纳米 Al0.25Ga0 组成。 75N 势垒层和 45-nm GaN 顶层从下到上。 GaN 顶层包括 35-nm p-GaN 层和 10-nm 未掺杂 GaN 层。对于 45 nm 的给定 AlGaN 厚度，2DHG 密度随着 GaN 顶部厚度的增加而增加 [22]。厚的 GaN 顶层对于高密度 2DHG 至关重要，但它有悖于低欧姆接触电阻（对于 2DEG）。所提出的双异质结肖特基势垒二极管（DJ SBD）的示意图如图 1a 所示。 SBD 制造始于通过基于 Cl2/BCl3 的电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻至 300 nm 深度的台面隔离。然后，通过低损伤ICP蚀刻工艺形成欧姆沟槽和肖特基阳极沟槽。欧姆沟槽和肖特基阳极沟槽的深度分别为50 nm和90 nm，这通过使用原子力显微镜（AFM）得到证实。引入四甲基氢氧化铵 (TMAH) 溶液在 85 °C 下保持 15 分钟，以去除蚀刻后的残留物并在完成蚀刻工艺后修改沟槽侧壁 [23]。然后，在 N2 环境中在 400 °C 下退火 10 分钟。随后通过电子束蒸发的 Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm) 形成欧姆阴极，在 870 °C 下在 N2 环境中退火 35 s，接触电阻 (R C) 0.49 Ω·mm。最后，阳极金属和互连由 Ni/Au 沉积以完成制造流程。这些设备具有各种 L AC 从 7 到 11 μm。图1b为阳极ICP和金属沉积后的高分辨率截面TEM图，层状结构清晰可见。

一 提出的双异质结 AlGaN/GaN SBD 和主要制造工艺的横截面。 L AC 是阳极到阴极的长度。 L FP 和 L 1 分别为 1 μm 和 2 μm。 b ICP和金属沉积后阳极的HR-TEM图像

2DEG 是由沿 AlGaN/GaN 界面的正极化电荷引起的。上部 GaN/AlGaN 界面具有负极化电荷，因此在上部界面处产生 2DHG [15]。漂移区和阴极之间的间隙 (L 1) 用于切断空穴电流路径，如图 2 所示。我们只研究了 L 的影响 1 由于原始版图设计的限制，在正向和反向阻塞特性上从 2 到 3 μm。 V ON 和 R ON,SP 没有变化，因为 L 1 不影响肖特基接触和电子电流路径。此外，随着L的增加，BV略有下降 1 因为缩短了漂移区。 DJ SBD 在正向偏压下的运行机制与传统 SBD 几乎相同，这意味着 2DHG 几乎不会影响从阴极到阳极的电子电流路径。随着反向偏置电压的增加，2DEG 和 2DHG 被完全耗尽。保持固定的正负极化电荷，形成极化结。结果，在阴极和阳极之间获得了平坦的电场分布（图3）。

DJ SBDa运行机理分析 零偏差和 b 反向偏置

通过 TCAD 模拟沿 AlGaN/GaN 沟道异质界面的电场分布。 Al分数定义为0.25。缓冲层中的净受体（深能级）密度设置为 1.5 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ 能级比导带最小值低 0.45 eV。 AlGaN/GaN界面的受主密度设置为6×10 ¹² 厘米 ⁻³ 能级低于导带最小值 0.23 eV

如图 3 所示，击穿特性和极化结机制由 Synopsys 的 2-D Sentaurus TCAD 确认。我们在模拟中考虑了几个重要的物理现象，包括带隙变窄、极化、电子/空穴迁移率、碰撞电离和 SRH 复合。

采用霍尔效应测量来确定 2DHG 或 2DEG 密度和迁移率值 [22]。测量在室温下通过范德堡法进行。根据参考测量 2DHG。 [17]，霍尔测量样品是用 Ni/Au 欧姆接触制造的。 2DHG的密度和迁移率为9×10 ¹² cm ⁻² 和 15 cm ² /V s，分别。 2DEG 是通过具有凹陷 GaN 顶部和部分 AlGaN 的样品测量的，这些样品由 Ti/Al/Ni/Au 欧姆接触（对于 2DEG）制造。 2DEG 的密度和迁移率为 8.5 × 10 ¹² cm ⁻² 和 970 cm ² /V s，分别。霍尔测量表明空穴迁移率仍然远低于体迁移率超过 100 cm ² /V s。迁移率的下降归因于MOCVD生长过程中Mg从p-GaN扩散到未掺杂的GaN。

结果与讨论

测量的 I-V 具有各种 L 的 SBD 的前向特性 AC 绘制在图 4a 和 b 中。导通电压 (V ON) 为 0.68 V，有 0.02 V 的小变化。SBD 的理想因子和势垒高度分别计算为 1.44±0.15 和 0.76±0.04 eV。图 4a 显示了 183 mA/mm 和 144 mA/mm 的高正向电流密度（@2.5 V 的正向偏置）和 0.642 和 1.17 mΩ cm ² 的导通电阻 达到 L AC 分别为 7 和 11 μm。此外，出色的开/关电流比 ∼ 10 ¹⁰ 获得如图 4b 所示。亚阈值斜率（SS）为63.0 mV/dec，接近理想的SS（59.6 mV/dec）。

测量的正向偏置 I-V a 中 DJ SBD 的特征 线性和b 具有不同 L 的半对数标度 交流

图 5a 显示了测得的反向阻塞 I-V 具有各种 L 的 SBD 的特性 AC at 300 K. 不同L器件的击穿电压 AC分别为803 V、940 V和1109 V，漏电流为1 mA/mm。在模拟过程中，假设 2DEG 和 2DHG 的密度相同。然而，实验结果表明 2DHG (9 × 10 ¹² cm ⁻² ) 略高于 2DEG (8.5 × 10 ¹² cm ⁻² ）。断态期间固定的正负极化电荷之间的差异会影响电荷平衡，从而降低击穿电压。 L 的影响 BV 和 R 上的 AC ON,SP 如图 5b 所示。 BV 和 L 之间的近似线性关系 获得了交流电，这意味着漂移区中的横向电场相对平坦。由于极化结效应，该器件表现出很高的 Baliga 品质因数 (FOM =BV ² /R ON,SP) 为 1051 MW/cm ² (@L AC =11 μm).

一 测量反向阻塞 I-V 不同L的DJ SBD的特点 交流 (b ) R ON、SP 和 BV 作为 L 的函数 交流

蚀刻工艺对于高质量肖特基界面和欧姆接触至关重要。图 6a 显示了 ICP 蚀刻（@ 5 °C）和 TMAH 溶液后凹槽的表面形貌。蚀刻速率约为 4.9 nm/min，最终选择的配方为 Cl2 为 4sccm，ICP 功率为 50 W，RF 功率为 15 W。均方根 (RMS) 粗糙度为 0.244 nm，扫描面积2×2 μm ² .

一 ICP蚀刻后沟槽的AFM形貌。 b 通过 TLM 测试，蚀刻深度对欧姆接触电阻的影响。 c 接触电阻与退火温度的函数关系，沟槽深度为 50 至 55 nm。退火时间为35 s

由于定制的外延层包括 45 nm GaN 顶层和 45 nm AlGaN 层，因此欧姆接触（用于 2DEG）工艺与传统 SBD 不同。由于欧姆金属和 2DEG 之间的势垒，在不使 GaN 顶部和 AlGaN 势垒层都凹陷的情况下，很难通过退火实现低接触电阻。然而，如果屏障过度凹陷，应力释放会导致 2DEG 浓度降低。采用额外的工艺来降低欧姆接触电阻。样品的表面在沉积前用 HCl 溶液处理以去除天然氧化层。此外，采用等离子体表面处理（ICP 功率 50 W BCl3 10 sccm 3 min）引入表面施主态 [24]。图 6b 展示了接触电阻对沟槽深度的依赖性。优化的深度是从 50 到 55 nm。图 6c 研究了 Ti/Al/Ni/Au 接触的高温快速热退火 (RTA)。退火温度为 840 至 890 °C，870 °C 导致接触电阻最低。在高温下退火，即 870 °C，有利于在 Ti/氮化物界面形成 TiN。然而，较高的温度（例如890 °C）会增加Au和Al的相互扩散，这不利于形成良好的欧姆接触。

图 7a-c 展示了包括 V 在内的静态特性的统计图 开，V F 和 BV。数据是从 72 个带有 L 的 SBD 中提取的 7、9 和 11 μm 的 AC 在 3 个独立的工艺运行中制造。器件显示稳定的正向导通特性和 V ON与L无关 AC，因为 V ON 主要由肖特基接触决定。低损伤的 ICP 蚀刻工艺、精确控制的沟槽深度和高质量的肖特基界面有助于 V 的出色均匀性 ON 和 V F.另外，随着L的增加 AC（从 7 到 11 μm），在提议的结构中观察到的 BV 单调增加（~100 V/μm）。图 7d 显示了 V 的直方图统计 72个器件ON，平均值为0.68 V，小标准导数为0.02 V。

a 的统计图 导通电压、b 正向电压和 c 从具有 L 的 72 个 SBD 中提取的击穿电压 7、9 和 11 μm 的 AC 在 3 个独立的工艺运行中制造。 d V 的分布 72台设备开启

图 8 评估了反向和正向特性的温度依赖性。如图 8a 所示，环境温度从 300 增加到 475 K 导致 R 的增加 ON,SP 乘以 1.94。

一 反向漏电流和b DJ SBD在不同温度下的前向特性

DJ SBD 的动态特性由Agilent B1505A 功率器件分析仪测量。阳极脉冲静态偏置点设置为- 10 V、- 20 V、- 30 V、- 40 V、- 70 V和- 100 V，阳极脉冲宽度和周期为0.50 毫秒/毫秒图 9b 显示了动态 R ON,SP 作为应力电压的函数。动态 R ON,SP 即使在 100 V 储备应力电压下也只是没有反向应力时的 1.18 倍，与 Ref. [8]。动态 R 的有限增加 ON,SP 有助于降低界面态。动态R的退化 ON，SP需要进一步工作。

一 I-V 脉冲测量下的特性。 b 提取的 R ON,SP vs 阳极脉冲基数，脉冲宽度/周期 =0.5 ms/500 ms

图 10 显示了 BV 与 R 的基准图 硅/碳化硅/蓝宝石衬底上 GaN 功率二极管的 ON,SP [8, 10, 22, 25,26,27,28,29,30,31]。建议的带有 L 的设备 AC 为 11 μm 表明 BV 为 1109 V 并具有相应的 R ON,SP 为 1.17 mΩ cm ² ，导致 1051 MW/cm ² 的高 Baliga FOM .该值是Si衬底上横向GaN功率二极管中最好的结果。

BV 与 R 的基准图 SiC/蓝宝石/Si 衬底上 GaN 功率二极管的 ON,SP。还给出了用于定义击穿的反向泄漏

结论

制造了具有高品质因数的双异质结 GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBD。低损伤 ICP 蚀刻工艺为所提议的器件带来了优化的欧姆和肖特基接触。因此，低 V ON 为 0.68 V，具有良好的均匀性和低 R ON,SP 为 1.17 mΩ cm ² 在带有 L 的设备中获得 AC 11 μm。高 Baliga 的 FOM 为 1051 MW/cm ² 是由于极化结效应实现的。高性能加上低成本的GaN-on-Si技术为未来的电源应用展示了巨大的潜力。

数据和材料的可用性

本研究中生成或分析的所有数据均包含在本文中。

缩写

SBD：

肖特基势垒二极管

2DEG/2DHG：

二维电子/空穴气

MOCVD：

金属有机化学气相沉积

ICP：

电感耦合等离子体

TEM：

透射电子显微镜

原子力显微镜：

原子力显微镜

BV：

击穿电压

R 开，SP：

比导通电阻

V 开 :

开启电压

FOM：

品质因数