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GaN异质结肖特基二极管的正向导通特性

  GaN第三代宽禁带半导体材料,因其电子迁移率高、耐高压、耐高温、耐辐射的特点,具有广泛的应用前景。除了在光电领域的应用外,GaN功率器件还应用于无线通信和电力电子等领域。与硅基功率器件相比,GaN功率器件具有开关频率高、击穿电压高、导通电阻低及热导率高等优点,可以应用于更为复杂的工作环境,以及实现更高的系统效率。近年来以GaN为代表的半导体器件被广泛认为是未来电力电子器件的主要发展方向。
 
  AlGaN/GaN异质结构由于极化效应而产生的高浓度二维电子气具有极高的浓度和电子迁移率的特性,因而横向结构的AlGaN/GaN SBD、HEMT、MIS-HEMT等功率器件成为研究热点。尽管GaN器件的研究取得了很大进步并且逐步实现市场化,但相较于硅基器件,技术依然不够成熟。大功率AlGaN/GaN SBD器件,对Al组分、终端场板、表面处理等有关击穿电压方面的研究很多,而其他方面相对较少。本文主要通过研究AlGaN/GaN肖特基二极管的正向电流-电压特性,从导通电阻方面分析,改善器件的导通特性。
 
  1. 实验与制备
  实验所用的蓝宝石衬底的AlGaN/GaN异质结外延结构采用金属有机化学气相沉淀(MOVCD)方法获得,蓝宝石衬底厚度为350µm,材料层结构由下而上依次为约2µm高阻的GaN缓冲层、1nm的AlN插入层(用来提高沟道的电子迁移率)、24nm料的表面形貌,生长了3nm的GaN帽层。HAll效应测量显示,室温下蓝宝石衬底上生长的材料电子迁移率μ和2DEG浓度分别为1600cm2/(V·S)和8×1012cm-2。蓝宝石衬底的器件外延结构与示意图如图1所示。
蓝宝石基SBD器件的横截面与俯视示意图 
图1 蓝宝石基SBD器件的横截面与俯视示意图
 
  Si基AlGaN/GaN异质结构也是采用金属有机化学气相沉淀(MOVCD)方法在〈111〉晶向的低阻P型Si衬底上外延获得,Si衬底厚度为650µm,高阻GaN缓冲层厚度约3µm,非故意掺杂的Al0.25Ga0.75N势垒层厚度为23nm。HAll效应测量显示,室温下硅衬底上生长的材料的电子迁移率µ和2DEG浓度分别为1500cm2/(V·S)和1012cm-2。基于硅衬底的器件外延结构与示意图如图2所示。
Si基SBD器件的横截面与俯视示意图 
图2 Si基SBD器件的横截面与俯视示意图
 
  SBD器件样品的制备包括外延材料表面处理、有源区隔离刻蚀、溅射欧姆电极、合金、表面钝化和溅射肖特基电极等过程。外延片的表面处理,采用稀盐酸(HCl:H2O=1:1)浸泡去除表面氧化物薄膜。器件的有源区隔离,采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀设备在氯基气体氛围下刻蚀出有源区台面,刻蚀深度通过台阶仪测量获得。欧姆电极是由电子束溅射淀积金属Ti/Al/Ni/Au制备的,电极合金是采用快速热退火设备(RTA)在850℃、N2氛围下进行退火处理的。用TLM测试欧姆电极的接触特性,由TLM的I-V曲线得到欧姆接触的比接触电阻为2.9×10-5·cm-2。为了减少表面态等界面漏电路径以及减小后续工艺对材料界面的沾污,利用等离子体增强化学气相沉淀(PECVD)设备在样品表面淀积一层300nm的SiO2钝化层。肖特基电极的制备,由反转胶刻蚀定义出电极孔,溅射电极金属Ni/Au。溅射肖特基电极的同时,对欧姆电极进行加厚,有效改善了欧姆电极的表面形貌,减弱了由高温退火后形成的粗糙合金表面对后续的压焊接触所造成的影响,且欧姆电极随着金属厚度的增加可减小电极金属的串联电阻,使得电流能更为均匀地传导。
 
  为研究衬底偏压对Si基AlGaN/GaN肖特基二极管导通特性的影响,在制备的横向AlGaN/GaN SBD器件的背部P型Si衬底上溅射500nm金属Al形成衬底电极,电极在300℃、N2氛围中进行退火处理,优化衬底电极的接触特性。为了研究电极布局、衬底偏压对SBD器件正向导通特性的影响,分别制备了不同肖特基电极面积、不同肖特基-欧姆电极间距以及具有导电衬底电极的器件样品,器件的I-V数据由实验室的Kethley 4200测得。
 
  2. 实验结果与分析
  2.1电极布局对SBD正向导通特性的影响
  研究电极布局对器件正向电流-电压特性的影响,主要从肖特基电极面积、肖特基-欧姆间距方面,由电流扩展分布,分析了器件正向导通特性的影响因素。
 
  2.1.1肖特基电极面积对正向导通特性的影响 
  研究肖特基电极面积对器件正向I-V特性的影响。制备了肖特基-欧姆电极间距恒定为25µm、肖特基电极面积(r=85,115,120,130µm)不同的SBD器件,测试其I-V特性的差异。如图3所示,正向电流随着肖特基电极面积的增大而增加,主要是因为肖特基电极面积增加、注入的载流子数目增加以及由肖特基电极引入的串联电阻有所降低。并计算其正向有效电流密度的差异,如图4所示,器件的有效电流密度随着肖特基电极面积的增加而减小,由于器件结构为平面式,受电流扩展分布的影响,增加肖特基电极圆面积并不能有效地提升器件的电流。器件电极布局中,肖特基电极的周长面积比大时,电流分布的均匀性较高,器件的有效电流密度偏高,也正是基于这种原因,目前研究所实现的大功率AlGaN/GaN SBD的电极布局多采用插指结构。
不同肖特基电极面积的SBD的正向I-V特性 
图3 不同肖特基电极面积的SBD的正向I-V特性
不同肖特基电极面积的SBD的正向J-V特性 
图4 不同肖特基电极面积的SBD的正向J-V特性
不同肖特基电极面积SBD的反向I-V特性 
图5 不同肖特基电极面积SBD的反向I-V特性
 
  肖特基电极面积增加,正向电流增加,与此同时器件的反向漏电流也随之增加,这是功率开关器件所不希望的。肖特基电极面积越大,引入器件的隧穿通道等漏电路径越多,反向漏电流就越大。此外外延材料存在的不均匀及缺陷也会引入漏电问题,反向饱和漏电流数量级为10-6A,造成反向饱和漏电流偏大的原因,主要有因高阻缓冲层不均匀和缺陷导致的漏电路径、湿法腐蚀、ICP刻蚀等工艺处理对外延片表面的影响,使得肖特基接触不均匀等。可通过优化ICP刻蚀工艺、降低刻蚀损伤、改变工艺步骤、提前加入钝化层的保护,以及对肖特基电极进行适当条件下的退火处理。
 
  2.1.2 肖特基-欧姆电极间距对正向导通特性的影响
  制备了肖特基电极面积(r=120µm)恒定、肖特基-欧姆电极间距(d=15、20、25、30µm)不同的器件,测试其正向I-V特性的差异。如图6所示,随着肖特基-欧姆电极间距增加,器件的正向电流减小,主要是由于电极间距增加,器件的串联沟道电阻增加,导通电阻随之增加,从而造成正向电流的减小,但是电极间距也在很大程度影响着器件的击穿电压,选择过大的电极间距并不能显著提高器件的耐压特性,反而会使器件正向电流下降,还会增加器件尺寸,不利于降低成本。反向饱和漏电流的大小,主要由肖特基势垒在反偏下的阻断能力,以及外延材料质量来决定,但受寄生电阻影响,漏电流随器件电极间距的增大也应有所减小,但由于电极间距的间隔较小,以及工艺误差的存在,其影响趋势不是很明显。
不同电极间距的SBD的正向I-V特性 
图6 不同电极间距的SBD的正向I-V特性
 
  2.2 硅衬底偏压对SBD导通特性的影响
  对于硅衬底的AlGaN/GaN SBD,利用衬底偏压方式可以有效改善器件正向电压下的导通特性。为了使衬底偏压对器件的作用更为明显,在器件的布局设计上做了相应的调整,增大了器件的肖特基电极面积(r=150µm)以及欧姆-肖特基电极间距(d=100µm)。与蓝宝石基SBD器件相比,由于衬底及外延层结构的差异使得2DEG浓度、电子迁移率等外延片的性能参数下降,又对硅基SBD器件的尺寸结构做了调整,使其正向导通电阻较大,正向电流仅约为1mA@2V。
 
  当硅基板的外加偏压发生改变时,AlGaN/GaN SBD的正向电流也随之改变,如图7所示。衬底偏压对外延结构的作用原理类似于背部栅电极的调制作用,附加电场改变体内电子的存储分布,进而对外延结构产生能带调制作用,即外加的衬底偏压在外延层中形成纵向电场,与异质结的极化电场进行矢量叠加,从而改变了由AlGaN/GaN异质结极化电场所产生的2DEG的浓度,改变了异质结的沟道电阻,影响器件的正向导通特性。在较大的衬底偏压下,产生了不需要的纵向漏电流,可能与外延结构中的高阻GaN缓冲层的质量有关,需要通过改变材料外延生长条件参数等因素,来改善其所产生的附加影响。在应用时可根据需要施加相应的衬底偏压。
不同衬底偏压下,SBD的正向I-V特性 
图7 不同衬底偏压下,SBD的正向I-V特性
 
  3. 总结
  为了研究电极布局、衬底偏压对横向AlGaN/GaN SBD器件导通特性的影响,实验分别制备了基于蓝宝石衬底和硅衬底的SBD,通过对其导通特性的测试分析发现,改变肖特基-欧姆电极布局,提高器件的电流扩展均匀性,以及在导电衬底上施加可增加沟道2DEG浓度的偏压,可有效地改善器件的正向导通特性。实验所制备的肖特基电极半径为120µm,肖特基-欧姆电极间距为25µm的基于Al2O3衬底的AlGaN/GaN SBD器件,实现了正向导通电流0.05A@2V,反向饱和漏电流为10-6A的性能。此实验结果对研究器件的低导通电阻、大电流性能具有一定的参考意义。

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