基于Si衬底的双异质结AlGaN/GaN肖特基势垒二极管：理论与实验联合分析

摘要

在GaN/AlGaN/GaN/Si衬底上理论和实验研究了具有双异质结的AlGaN/GaN肖特基势垒二极管（SBD）。二维空穴气（2DHG）和二维电子气（2DEG）分别形成于GaN顶层/AlGaN和AlGaN/GaN界面。关断态下，2DEG和2DHG部分耗尽后完全消失，留下固定正负极化电荷形成极化结。因此在漂移区获得平坦电场和高击穿电压（BV）。此外阳极凹槽设计降低开启电压（V_ON）。低损伤ICP刻蚀工艺改善肖特基接触，获得低漏电流和低V_ON。制备的SBD在阳极-阴极距离（L_AC）11μm下展现1109V击穿电压。制备SBD实现低V_ON 0.68V且均匀性好，室温下高开关电流比~10¹⁰，低比导通电阻（R_ON,SP）1.17mΩ·cm²，高Baliga性能指标（FOM）1051MW/cm²。

引言

基于AlGaN/GaN异质结的横向二极管因二维电子气（2DEG）高电子迁移率、高电子饱和速度和高击穿电场而极具吸引力[1-3]。大量努力致力于实现GaN二极管用于电源转换器和逆变器功率因数校正的低开启电压（V_ON）、低反向漏电流和高击穿电压（BV）[4-12]。为解决电场非均匀分布提出多种方法。场极板（FP）技术是其中之一[5,13]。全凹槽阳极双场极板SBD在25μm L_AC下实现1.9kV高击穿电压[5]，同时显著降低V_ON并保持高BV。此外，硅技术常用的常规减小表面电场（RESURF）概念已在GaN HEMT中验证[14]。由二维空穴气（2DHG）位于2DEG上方组成的极化结（PJ）被提出改善比导通电阻（R_ON,SP）与BV关系[15-18]。基于PJ概念的GaN器件已在蓝宝石和SiC衬底上演示，但GaN-on-SiC衬底高成本和小尺寸不利于大规模商业应用。大尺寸GaN-on-Si因低成本被视为有前景选择[19-22]。因此研究硅衬底上PJ二极管性能值得研究。

本工作提出并实验演示了具有双异质结（DJ）的GaN/AlGaN/GaN-on-Si肖特基势垒二极管。通过模拟和实验确认极化结效应。实现阳极阴极间平坦电场分布。优化ICP刻蚀肖特基沟槽工艺实现低反向漏电流和低V_ON及优异刻蚀均匀性。基于定制外延层（含45nm GaN顶层）优化欧姆接触工艺实现低接触电阻（针对2DEG）。因此在L_AC=11μm下SBD实现1109V击穿电压，Baliga FOM达1051MW/cm²。同时研究了温度依赖性和动态R_ON,SP性能。

方法与实验

外延层通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在6英寸p型硅上生长，自底向上依次为：3.5μm GaN缓冲层、150nm GaN沟道层、1nm AlN中间层、45nm Al₀.₂₅Ga₀.₇₅N势垒层、45nm GaN顶层。GaN顶层含35nm p-GaN层和10nm非掺杂GaN层。给定AlGaN厚度45nm时，2DHG密度随GaN顶层厚度增加而增加[22]。厚GaN顶层对高密度2DHG至关重要，但不利于低欧姆接触电阻（针对2DEG）。拟议双异质结肖特基势垒二极管（DJ SBD）截面示意图见图1a。SBD制造始于基于Cl₂/BCl₃电感耦合等离子体（ICP）刻蚀300nm深度实现台面隔离。随后低损伤ICP刻蚀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深度分别为50nm和90nm，经原子力显微镜（AFM）确认。随后用85°C四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液处理15min去除刻蚀后残留物并修饰沟槽侧壁[23]。然后在N₂气氛400°C退火10min。随后电子束蒸发Ti/Al/Ni/Au（20/140/55/45nm）形成欧姆阴极，N₂气氛870°C退火35s，接触电阻（R_C）0.49Ω·mm。最后沉积Ni/Au阳极金属和互连完成制造流程。器件L_AC为7-11μm不等。图1b显示ICP刻蚀和金属沉积后阳极高分辨率横截面TEM图像，层结构清晰可见。

2DEG由AlGaN/GaN界面沿线正极化电荷诱导。上部GaN/AlGaN界面有负极化电荷因此在上界面产生2DHG[15]。漂移区与阴极间隙（L₁）用于切断空穴电流路径（图2）。因原始版图设计限制仅研究L₁从2到3μm对正向和反向阻断特性影响。V_ON和R_ON,SP无变化因L₁不影响肖特基接触和电子电流路径。此外BV随L₁增加轻微下降因漂移区缩短。DJ SBD正向偏置下工作机制与常规SBD几乎相同，即2DHG几乎不影响电子从阴极到阳极电流路径。随反向偏置电压增加，2DEG和2DHG完全耗尽。留下固定正负极化电荷形成极化结。结果在阴极和阳极间获得平坦电场分布（图3）。

图3中击穿特性和极化结机制经Synopsys二维Sentaurus TCAD仿真确认。模拟考虑了带隙收窄、极化、电子/空穴迁移率、碰撞电离和SRH复合等重要物理现象。

霍尔效应测量确定2DHG或2DEG密度和迁移率值[22]。室温下用Van der Pauw法测量。测量2DHG按参考文献[17]制备Ni/Au欧姆接触霍尔样品。2DHG密度和迁移率分别为9×10¹²cm⁻²和15cm²/V·s。2DEG通过凹槽GaN顶层和部分AlGaN制备Ti/Al/Ni/Au欧姆接触（针对2DEG）样品测量。2DEG密度和迁移率分别为8.5×10¹²cm⁻²和970cm²/V·s。霍尔测量显示空穴迁移率仍远低于体迁移率100cm²/V·s以上。迁移率退化归因于MOCVD生长过程中Mg从p-GaN向非掺杂GaN扩散。

结果与讨论

不同L_AC下SBD测量正向I-V特性见图4a、b。开启电压（V_ON）为0.68V，变化仅0.02V。SBD理想因子和势垒高度分别计算为1.44±0.15和0.76±0.04eV。图4a显示L_AC=7和11μm时在2.5V正向偏置下分别实现183mA/mm和144mA/mm高正向电流密度，导通电阻分别为0.642和1.17mΩ·cm²。此外图4b显示获得优异开关电流比~10¹⁰。亚阈值摆幅（SS）为63.0mV/dec，接近理想SS（59.6mV/dec）。

图5a显示不同L_AC下SBD 300K测量反向阻断I-V特性。不同L_AC器件在1mA/mm漏电流下击穿电压分别为803V、940V和1109V。模拟假设2DEG和2DHG密度相同。但实验结果显示2DHG密度（9×10¹²cm⁻²）略高于2DEG（8.5×10¹²cm⁻²）。关断态固定正负极化电荷差异影响电荷平衡从而降低击穿电压。L_AC对BV和R_ON,SP影响见图5b。BV与L_AC呈近线性关系，暗示漂移区侧向电场相对平坦。因极化结效应，器件在L_AC=11μm下展现高Baliga FOM（=BV²/R_ON,SP）1051MW/cm²。

刻蚀工艺对高质量肖特基界面和欧姆接触至关重要。图6a显示ICP刻蚀（@5°C）和TMAH溶液处理后凹槽表面形貌。刻蚀速率约4.9nm/min，最终配方为Cl₂ 4sccm、ICP功率50W、RF功率15W。2×2μm²扫描区域均方根（RMS）粗糙度0.244nm。

因定制外延层含45nm GaN顶层和45nm AlGaN层，欧姆接触（针对2DEG）工艺不同于常规SBD。不凹槽GaN顶层和AlGaN势垒层，因欧姆金属与2DEG间势垒难通过退火实现低接触电阻。但过度凹槽势垒层会导致应力释放降低2DEG浓度。采用额外工艺降低欧姆接触电阻。沉积前用HCl溶液处理样品表面去除天然氧化层。此外采用等离子体表面处理（ICP功率50W、BCl₃ 10sccm、3min）引入表面施主态[24]。图6b展示接触电阻随沟槽深度依赖。优化深度为50-55nm。图6c研究Ti/Al/Ni/Au接触高温快速热退火（RTA）。退火温度840-890°C，870°C导致最低接触电阻。高温退火（如870°C）有利于Ti/氮化物界面TiN形成。但更高温度（如890°C）增加Au和Al互扩散，不利良好欧姆接触形成。

图7a-c展示包括V_ON、V_F和BV在内的静态特性统计图。数据从3次独立工艺批次制造的L_AC为7、9、11μm的72个SBD提取。器件显示稳定正向开启特性，V_ON与L_AC无关因V_ON主要由肖特基接触决定。低损伤ICP刻蚀、精确控制沟槽深度和高质量肖特基界面贡献V_ON和V_F优异均匀性。此外随L_AC增加（7到11μm），拟议结构BV单调增加（~100V/μm）。图7d显示72器件V_ON直方图统计，均值0.68V，标准差仅0.02V。

图8评估反向和正向特性温度依赖性。图8a显示环境温度从300K升至475K导致R_ON,SP增加1.94倍。

用Agilent B1505A功率器件分析仪测量DJ SBD动态特性。阳极脉冲静态偏置点设为-10V、-20V、-30V、-40V、-70V和-100V，阳极脉冲宽度和周期0.5ms/500ms。图9b显示动态R_ON,SP随应力电压函数。即使100V反向应力电压下动态R_ON,SP仅为无反向应力时1.18倍，与参考文献[8]相当。动态R_ON,SP有限增加归因于界面态减少。动态R_ON,SP退化需进一步工作。

图10展示GaN功率二极管在Si/SiC/蓝宝石衬底上BV与R_ON,SP基准图[8,10,22,25-31]。拟议器件L_AC=11μm展现1109V BV对应1.17mΩ·cm² R_ON,SP，实现高Baliga FOM 1051MW/cm²。该值为Si衬底横向GaN功率二极管最佳结果。

结论

制造了高性能指标双异质结GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBD。低损伤ICP刻蚀工艺优化拟议器件欧姆和肖特基接触。因此L_AC=11μm器件获得良好均匀性低V_ON 0.68V和低R_ON,SP 1.17mΩ·cm²。因极化结效应实现高Baliga FOM 1051MW/cm²。高性能结合低成本GaN-on-Si技术展现未来功率应用巨大潜力。