β-Ga₂O₃薄膜上Mo/Au肖特基接触：反向偏置输运与击穿特性的实验与理论洞察

摘要

我们通过298-423 K的温度依赖性电流-电压（I-V）特性，研究了Mo/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的反向电流发射机制。反向电流随电场的变化表明，肖特基发射是反向偏置下的主要载流子输运机制，而非弗伦克尔-普尔陷阱辅助发射模型。在氟流体环境中获得300 V击穿电压，Mo/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管平均电场达3 MV/cm。还通过TCAD仿真分析了表面态对电场分布的影响：随负表面电荷密度增加，峰值电场单调降低。此外，也讨论了正向偏置下肖特基势垒高度的不均匀性。

背景

超宽禁带半导体β-Ga₂O₃因其优异特性备受关注：高化学稳定性、大直接宽带隙4.8-4.9 eV、高理论击穿电场（E_BR）8 MV/cm、高巴利加指标3400（约为SiC的10倍、GaN的4倍）。结合熔体生长技术制备的高质量、大面积、低成本β-Ga₂O₃衬底，使其成为高压大功率电子应用的首选材料。作为有前途的电子器件，β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）已用各种阳极金属制备，包括Cu、Pd、Pt、Au、Ni、TiN等，其正向和反向电学特性（如比导通电流、I_on/I_off比、势垒高度、反向漏电流、击穿电压）已被全面研究。β-Ga₂O₃ SBD中不均匀肖特基势垒高度和非饱和反向偏置电流已有报道，但关于反向偏置下载流子输运机制的信息较少，这对提高击穿电压至关重要。

此外，尚无研究分析Mo/β-Ga₂O₃接触的发射机制。若β-Ga₂O₃衬底存在陷阱或缺陷，漏电流将符合弗伦克尔-普尔发射模型，反向电流为金属-半导体界面附近受困电子的发射。否则，反向电流主要由肖特基发射主导，即电子跨越肖特基势垒形成反向电流。β-Ga₂O₃晶体还有一独特性质：[100]方向晶格常数大（12.23 Å），易于劈解成薄带或纳米膜。本工作首次从低位错密度体衬底机械剥离大面积β-Ga₂O₃，并选择热稳定的钼（Mo）作为阳极金属制备垂直肖特基势垒二极管。在298-423 K温度范围讨论反向偏置下的电传导机制。本工作为改进β-Ga₂O₃基器件功能提供了载流子输运机制洞见。

方法/实验

如图1a,b所示，肖特基势垒二极管制备于从Sn掺杂β-Ga₂O₃衬底机械剥离的β-Ga₂O₃（100）薄膜上，厚度15 μm，电子浓度2×10¹⁷ cm⁻³。图1d,e显示高分辨X射线衍射（HRXRD）和原子力显微镜（AFM）测得的半高全宽（FWHM）和均方根粗糙度（RMS）分别为51.9角秒和0.19 nm，确认优异晶体质量和平整表面。湿法清洗后，背面用电子束蒸发沉积Ti/Au（20 nm/100 nm）金属堆叠，随后在氮气氛中600°C快速热退火（RTA）60 s形成欧姆接触。正面通过蒸发Mo/Au（40 nm/100 nm）金属和剥离工艺形成直径100 μm的圆形肖特基阳极电极。图1c展示β-Ga₂O₃ SBD的示意性横截面结构。

结果与讨论

使用Keithley 4200半导体表征系统在298-423 K研究Au/Mo/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的电流-电压（I-V）特性。图2a显示，298 K时I_on/I_off比接近10¹⁰，表明良好整流行为。正向偏置0.1-0.7 V时，半对数I-V曲线近似线性且显示强温度依赖性。正向偏置进一步增加时，I-V曲线偏离线性归因于串联电阻，电压-电流关系可用公式表达。理想肖特基势垒二极管理想因子n应为1。n越大，偏离热发射（TE）模型越大。根据公式ϕ_b = (kT/q) ln[AA*T²/I_s]计算不同温度下的ϕ_b值（图2b），其中ϕ_b为势垒高度，A为二极管面积，A*为有效理查森常数40.8 A cm⁻² K⁻²（β-Ga₂O₃有效质量m*=0.34 m₀）。温度从298 K升至423 K时，ϕ_b增加而n减小，表明另一输运机制也参与电流输运，导致I-V特性偏离纯TE模型，这在β-Ga₂O₃ SBD和其他宽禁带器件中已有报道。势垒高度不均匀性分析可用势垒高度的高斯分布描述（公式1）。

从图2c提取平均势垒高度ϕ_b0 = 1.55 eV，标准差σ_s = 0.186 eV。考虑势垒高度不均匀性，修正理查森绘图如公式(2)所示。图2c显示修正后的ln(I_s/T²) - (q²σ_s²/2k²T²) 对 1/kT呈直线，截距得出A* = 44.7 A cm⁻² K⁻²，接近β-Ga₂O₃理论值40.8 A cm⁻² K⁻²。因此，β-Ga₂O₃ SBD金属/半导体界面的势垒不均匀性可用高斯分布的TE模型解释。

室温反向击穿测量使用Agilent B1505A高压半导体分析仪系统进行（图3）。击穿电压在空气中为260 V，样品浸没在3M公司生产的Fluorinert™中（可防止高反向偏置下空气击穿）时为300 V。为理解电场分布，使用ATLAS软件进行数值仿真（图4a,b）。从半导体-阳极界面起约1 μm处电场逐渐下降。在x=4 μm处，平均电场为3 MV/cm（由图4c计算）。图4d显示在y=1 nm处，肖特基接触边缘的最大击穿电场约8 MV/cm，约为平均电场的2.7倍。文献报道电极边缘峰值电场和平均电场分别为5.3、3.8 MV/cm和6.1、4.4 MV/cm，Mo/Ga₂O₃肖特基二极管峰值电场相对较高。推测机械剥离β-Ga₂O₃纳米膜存在大量悬空键和表面态，反向偏置下捕获电子耗尽阳极到阴极的载流子。考虑负表面电荷后，仿真显示随负表面电荷密度从0.5×10¹³ cm⁻²增至3×10¹³ cm⁻²，肖特基接触边缘电场降低。特别是负表面电荷密度3×10¹³ cm⁻²时，边缘峰值电场约5.2 MV/cm。因此，无需边缘终止结构，在N_D=3×10¹⁷ cm⁻²的β-Ga₂O₃纳米膜上即可实现300 V反向击穿电压。图4d显示，因X位置<2 μm处存在界面态，电子被捕获形成耗尽区，产生Y向电场。随界面态浓度增加，Y向电场增大，而X向电场趋近零。故X<2 μm处电场增大。

另一方面，随反向偏置V_re增加，漏电流I_re在|V|>3k_BT/q时增加而非饱和（图5a），这与TE理论不符。因此考虑电场增强热电子发射讨论I_re对V_re的依赖，包括普尔-弗伦克尔发射和肖特基发射。普尔-弗伦克尔发射中，电子通过陷阱态从金属进入半导体，I_re由公式(3)给出；肖特基发射中，电子获得足够能量跨越金属/半导体势垒形成电流，I_re由公式(4)表达。其中ε_s为β-Ga₂O₃介电常数（~10ε₀），E为施加电场，由公式计算，N_D为β-Ga₂O₃施主密度，V_bi为内建势。图5b显示，可从反向偏置下电容倒数平方（1/C²）对V_re图的斜率和截距提取N_D和V_bi（公式5）。若ln(I/T²)对E¹ᐟ²呈线性，肖特基发射主导；若ln(I/E)对E¹ᐟ²呈线性，普尔-弗伦克尔发射主导。图5c,d描绘两组曲线均呈线性，表明两种机制均存在。为澄清主导机制，比较斜率即发射系数（公式6），其中n=1对应普尔-弗伦克尔发射（S_PF），n=2对应肖特基发射（S_S）。实验值S_m-PF和S_m-S分别由图5c,d曲线斜率给出。实验值与理论值之比N_PF (=S_m-PF/S_PF)和N_S (=S_m-S/S_S)如图6所示。因N_S值更接近1，反向电流主要由肖特基发射主导。

结论

我们研究了在Sn掺杂β-Ga₂O₃衬底机械剥离的（100）β-Ga₂O₃薄膜上制备的Mo/Au肖特基势垒二极管电学特性。基于TE模型，提取的ϕ_b和n随温度升高分别增加和减小。假设势垒高度呈高斯分布，获得平均势垒高度1.55 eV和标准差0.186 eV。最终，根据ln(I/T²)和ln(I/E)对E¹ᐟ²绘图，肖特基发射参数N_S接近1，说明肖特基发射为反向电流主导输运机制。在Fluorinert中获得300 V击穿电压，平均电场3 MV/cm，显示β-Ga₂O₃在功率电子应用中的巨大潜力。

缩略语

I-V:

电流-电压

Mo:

钼

RTA:

快速热退火

SBD:

肖特基势垒二极管

TE:

热电子发射