AlGaN/GaN 肖特基二極管陽極后退火界面態修復技術*

武鵬 李若晗 張濤? 張進成? 郝躍

1) (西安電子科技大學,寬禁帶半導體器件與集成技術全國重點實驗室,西安 710071)

2) (西安微電子技術研究所,西安 710054)

1 引言

第三代半導體GaN 材料具有高擊穿場強、高電子遷移率以及高電子飽和速度等優勢,在無線傳能、衛星通訊、5G 基站等高頻大功率領域展現出了極大的應用潛力[1?5].在AlGaN/GaN 異質結界面較強自發極化和壓電極化的作用下,界面處產生高濃度(約1×1013cm?2)和高遷移率(約2000 cm2/(V·s))的二維電子氣(2DEG),進一步促進了GaN 基材料體系在小尺寸、高集成度的單片集成電路方面的發展[6?8].與PN 結二極管的工作機制不同,單極性GaN 肖特基二極管通過陽極金屬與GaN 材料接觸所形成的肖特基勢壘對載流子的輸運機制進行調控,具有更小的反向恢復時間和更低的開啟電壓,保障了電路較高的工作頻率和效率[9?11].目前,AlGaN/GaN 肖特基勢壘二極管(SBD)的功率品質因數已經超過3 GW/cm2,器件反向耐壓超過3 kV,展現出極為出色的特性[12,13].

對于高性能AlGaN/GaN SBD 而言,陽極電場分布及界面特性直接決定了器件的最終性能,各國專家及學者基于AlGaN/GaN SBD 的陽極特性開展了大量的研究工作.2015 年,Zhu 等[14]采用雙層場板結構對AlGaN/GaN SBD 的陽極邊緣電場進行調制,實現了超過1.9 kV 的高擊穿電壓,器件功率品質因數(PFOM)高達727 MW/cm2.2016 年,Tsou 等[15]通過優化陽極凹槽刻蝕條件,基于原子級平整度的凹槽刻蝕表面,實現了高達2.07 kV 的器件耐壓.2018 年,Gao 等[16]采用AlGaN 勢壘層濕法腐蝕技術替代常規等離子體干法刻蝕技術,抑制了陽極凹槽界面的刻蝕損傷,器件在?1200 V 偏壓下的反向漏電僅為1 μA/mm.同年,Zhang 等[17,18]通過采用低功函數金屬鎢(W)陽極結構結合陽極后退火界面態修復技術,實現了較低的器件開啟電壓及較小的反向泄漏電流,器件的輸出特性得到了明顯提升.與常規高功函數金屬鎳(Ni)陽極相比,低功函數金屬W 陽極有助于使AlGaN/GaN SBD 實現更低的器件開啟電壓,但較低的陽極勢壘高度導致器件更易受到界面陷阱的影響,因此,系統研究退火前后低功函數金屬W 與GaN 界面特性的變化,對實現同時具備低開啟電壓、低導通電阻及低反向漏電的高性能AlGaN/GaN SBD 具有較大的指導意義.

GaN SBD 器件極易受到陽極界面陷阱態的影響,導致反向漏電增大、導通電阻退化等問題.本文采用的平面陽極AlGaN/GaN SBD 結構有效避免了凹槽陽極結構制備中由等離子體刻蝕所引入的刻蝕損傷,能夠更精準地對后退火前后低功函數金屬W 陽極界面特性的變化進行系統表征.在450 ℃退火環境中,陽極金屬原子與界面處的GaN 原子結合成鍵,有效降低了界面處GaN 懸掛鍵的影響,器件陽極界面態密度由9.48×1015eV?1·cm?2降低至1.77×1013eV?1·cm?2,反向漏電由4.55 × 10?4A/mm 降低至5.10 ×10?6A/mm,微分導通電阻由17.05 Ω·mm 降低至12.57 Ω·mm,器件性能得到大幅度提升.

2 器件結構與制備

圖1 為本文制備的基于低功函數金屬W 陽極的平面結構AlGaN/GaN SBD 器件截面圖.各層材料結構從上至下依次為2 nm GaN 帽層,25 nm鋁組分為25%的AlGaN 勢壘層,1 nm AlN 插入層,200 nm 非故意摻雜GaN 溝道層,6 μm 高阻緩沖層和1 mm p 型導電Si 襯底.其中,GaN 帽層的主要作用為保護AlGaN 勢壘層免受空氣中氧氣的氧化,AlN 插入層的作用為減少溝道載流子的散射,提升載流子遷移率,較厚的緩沖層有助于提高器件的縱向耐壓,除襯底以外各層均采用金屬-有機物化學氣相淀積設備(MOCVD)沉積而成.室溫下,接觸式霍爾設備測得材料方阻為320 Ω/square,原子力顯微鏡測得樣品表面粗糙度為0.37 nm,良好的材料特性是實現高性能AlGaN/GaN SBD 器件的基礎.

圖1 平面陽極結構AlGaN/GaN SBD 器件截面圖Fig.1.Schematic cross-sectional of AlGaN/GaN SBD with planar anode.

在器件制備之前,先采用丙酮和異丙醇溶液對樣品表面進行有機清洗,再把樣品放置于濃硫酸與雙氧水的混合溶液中,進一步去除樣品表面的有機污染,潔凈的樣品表面是實現低阻歐姆接觸的前提.為減小后續工藝對器件陰極歐姆接觸的影響,首先,基于雙層膠剝離工藝在電子束蒸發設備中依次沉積多層Ti/Al/Ni/Au (22 nm/140 nm/55 nm/45 nm)金屬結構,完成樣品金屬剝離及底層膠清洗后,將樣品放置于快速退火爐中,在N2氛圍下以860 ℃高溫退火35 s 形成合金化的歐姆接觸.其次,采用氯氣與氯化硼的混合氣體在感應耦合等離子體刻蝕設備中制備器件的臺面隔離,用于抑制器件之間的相互串擾,經臺階儀測試,器件總刻蝕深度約為140 nm.然后,采用磁控濺射設備沉積雙層W/Au (30 nm/100 nm)金屬結構作為器件陽極,金屬剝離之后再次將樣品置于快速退火爐中,在450 ℃腔體溫度下進行300 s 時長的陽極后退火(post-anode-annealing,PAA)處理,促進陽極金屬W 與GaN 表面的懸掛鍵成鍵,從而降低肖特基界面態密度,改善GaN SBD 陽極界面特性.低功函數金屬W 陽極有助于器件實現較低的開啟電壓,提高器件整流效率,為了更好地對比陽極后退火前后器件特性的變化,選取未進行陽極后退火的器件(Ref SBD)作為對照實驗.最后,采用等離子體增強原子層沉積設備生長20 nm Al2O3作為器件表面鈍化層.由于本文重點研究陽極后退火處理對低功函數金屬W 肖特基界面態密度的影響,所以采用平面陽極結構,避免了凹槽陽極結構中等離子體刻蝕引入的損傷等問題.本文制備的圓型AlGaN/GaN SBD 器件陽極半徑為100 μm,陰陽極間距為15 μm,器件電流-電壓(I-V)及電容-電壓(C-V)特性的測試均采用安捷倫B1505 A 高壓半導體參數分析儀進行.

3 結果與討論

圖2(a)和圖2(b)分別為器件的正向導通特性和反向漏電特性.對于正向測試而言,器件陽極偏置電壓從0 V 逐漸增至5 V;對于反向測試而言,器件陽極偏置電壓從0 V 逐漸增至?40 V.本文定義器件的開啟電壓為陽極正向電流密度達到1 mA/mm時所對應的陽極偏置電壓,則本文所制備的Ref SBD 的器件開啟電壓為1.46 V,而經過陽極后退火處理的PAA SBD 的器件開啟電壓為2.02 V;器件正向電流密度為100 mA/mm 時所對應的微分導通電阻分別為17.05 Ω·mm 和12.57 Ω·mm;器件反向漏電流分別為4.55 × 10?4和5.10 × 10?6A/mm.在陽極后退火處理的過程中,肖特基界面的GaN 材料與陽極金屬W 互溶擴散,有可能生成類似WNx和GaWxNy等復雜化合物[18,19],抑制了GaN 表面處的懸掛鍵數量,大幅度降低了陽極界面態密度.因此,與Ref SBD 相比,PAA SBD 的器件開啟電壓增大,微分導通電阻降低,且器件反向漏電大幅度降低.

圖2 PAA SBD 與Ref SBD 器件的正向導通特性(a)和反向漏電特性(b)Fig.2.Forward I-V characteristics (a) and reverse I-V characteristics (b) of the fabricated PAA SBD and Ref SBD.

圖3(a)和圖3(b)分別給出了PAA SBD 和Ref SBD 的正向變溫特性,器件陽極偏置電壓從0 V 逐漸增加到1.6 V,步長為0.005 V,熱臺溫度從300 K 逐漸升高到500 K,步長為25 K,當熱臺顯示溫度到達設定溫度時,需額外等待5 min 再進行測試,保證熱臺與器件溫度的一致性.從圖3 可知,隨著樣品溫度的升高,器件開啟電壓逐漸降低,對于PAA SBD 而言,器件開啟電壓隨溫度的變化率為?3.03 mV/K,而Ref SBD 器件開啟電壓隨溫度的變化率為?2.75 mV/K.當溫度升高后,溝道中的載流子獲得更大的能量,因此更容易越過肖特基界面勢壘,導致開啟電壓降低.圖4 為基于熱電子發射模型提取的PAA SBD 和Ref SBD 器件勢壘高度隨溫度的變化關系,由于GaN SBD 陽極界面存在勢壘不均勻性,PAA SBD 的器件勢壘高度從300 K 環境溫度下的0.77 eV 提高至500 K環境溫度下的1.26 eV,對應的Ref SBD 器件的勢壘高度從0.65 eV 提升至0.88 eV.器件經過后退火處理之后,陽極界面處的W 金屬原子與GaN 相互反應成鍵,形成較為復雜的金屬間化合物[18],降低了陽極W 金屬下方GaN 表面懸掛鍵及W 金屬濺射過程中導致的損傷,器件勢壘高度明顯提升.

圖3 對數坐標下,器件正向特性隨溫度的變化 (a) PAA SBD;(b) Ref SBDFig.3.Temperature-dependent forward I-V characteristics of devices in semi-log scale: (a) PAA SBD;(b) Ref SBD.

圖4 PAA SBD 和Ref SBD 器件勢壘高度隨溫度的變化Fig.4.Extracted Schottky barrier height of the fabricated PAA SBD and Ref SBD as a function of the measured temperature.

圖5 給出了不同頻率下PAA SBD 和Ref SBD的電容-電壓(C-V)特性關系,可知器件峰值電容所對應的陽極偏置電壓分別為2.3 V 和1.8 V,由于陽極M/S 界面處的界面態陷阱存在不同的壽命,導致高頻條件下部分界面態陷阱難以跟隨測試頻率的變化,因此展現出峰值電容隨測試頻率增大而降低的現象.由于后退火處理有效促進了陽極金屬W 與GaN 材料相互擴散結合成鍵,大幅度消除了界面陷阱態密度,因此相同測試頻率下PAA SBD 器件的峰值電容遠小于Ref SBD 器件的峰值電容.

圖5 不同頻率下器件的電容隨陽極偏壓的變化 (a) PAA SBD;(b) Ref SBDFig.5.Frequency-dependent C-V curves of device: (a) PAA SBD;(b) Ref SBD.

電極到溝道處的等效電路圖如圖6(a)所示,其中,Ci和Cs分別為界面勢壘電容和GaN 溝道層電容,RT和CT分別是由陷阱態引起的電容和電阻.在低頻測試條件下,界面處的陷阱有足夠的時間俘獲載流子,填充了的陷阱態造成測試電容值上升.當測試頻率逐漸增大時,壽命高的陷阱態無法及時俘獲載流子,從而不再對電容有貢獻,導致測試頻率在高頻時出現頻散現象.圖6(b)為器件電導-角頻率(G/ω-ω)的特性曲線,曲線峰值處的角頻率ωmax滿足:

圖6 (a)陷阱態評估等效電路圖;(b) PAA SBD 和Ref SBD電導隨角頻率的變化Fig.6.(a) Equivalent circuit for the trap state evaluation;(b) frequency-dependent G/ω-ω curves of the fabricated PAA SBD and Ref SBD.

式中,τT是陷阱態對應的壽命.陷阱態對應的陷阱能 級Ec-ET可根據Shockley-Read-Hall (SRH)復合模型計算得出,其表達式滿足:

式中,k是玻爾茲曼常數,Nc是GaN 導帶中的有效態密度,T是溫度,σt是界面態的捕獲截面,vT是平均熱速度,則未經后退火處理的器件陽極界面陷阱能級為0.23 eV,而經過后退火處理的器件陽極界面陷阱能級為0.26 eV.圖7 為器件電導-電壓(G/ω-V)的特性曲線,由于陽極界面陷阱態的響應時間不同,隨著測試頻率的增加,部分界面態陷阱難以跟隨測試頻率的變化,導致電導增大的速率逐漸降低.

圖7 不同頻率下器件的電導隨陽極偏壓的變化 (a) PAA SBD;(b) Ref SBDFig.7.Frequency-dependent G/ω-V curves of device: (a) PAA SBD;(b) Ref SBD.

對于GaN SBD 而言,器件陽極界面態密度(NSS)隨測試頻率的變化關系滿足Hill-Coleman方法[20,21],其表達式為

式中,角頻率ω=2πf,Cm為峰值電容,(G/ω)m為峰值電容所對應的峰值電導,Ci為界面層電容,是陽極下方GaN 層在高頻下的強集聚電容,其表達式為

通過計算可得,1 MHz 下PAA SBD 的Ci值為1.31×10?10F,Ref SBD 的Ci值為7.9×10?8F.圖8 展示了PAA SBD 和Ref SBD 的陽極界面態密度隨頻率的變化關系,器件經過陽極后退火處理后,最高界面態密度由9.48×1015eV?1·cm?2降低到1.77×1013eV?1·cm?2.因此,陽極后退火處理可以有效促進陽極金屬與界面處GaN 材料相互融合反應成鍵,消除陽極下方GaN 表面懸掛鍵對器件載流子輸運機制的影響,抑制器件反向隧穿漏電機制,降低器件導通電阻.

圖8 PAA SBD (a)和Ref SBD (b)的界面態密度隨測試頻率的變化Fig.8.Variation of NSS as a function of the measured frequency of (a) PAA SBD and (b) Ref SBD.

圖9(a)給出了PAA SBD 和Ref SBD 器件的擊穿特性,從測試結果可知,器件經過陽極后退火處理后擊穿電壓有明顯提升.圖9(b)為陽極界面陷阱漏電的能帶結構示意圖,當反向電壓增大時,載流子獲得足夠的能量躍遷到陷阱能級,再經由陷阱能級躍遷到導帶,造成漏電.由于陷阱能級的存在,載流子在較小電場下也能夠獲得足夠的能量隧穿到導帶,這直接導致了器件反向漏電的顯著增大.

圖9 (a) PAA SBD 與Ref SBD 器件擊穿特性;(b)器件陽極界面陷阱漏電的能帶結構示意圖Fig.9.(a) Reverse breakdown characteristics of the fabricated PAA SBD and Ref SBD;(b) energy band diagram of trap induced leakage current in anode contact.

4 結論

本文基于橫向結構GaN SBD 器件系統研究了陽極后退火技術對GaN SBD 器件特性的影響.器件經過退火處理后,陽極界面態密度由9.48×1015eV?1·cm?2降低到1.77×1013eV?1·cm?2,同時進一步抑制了以隧穿機制為主導的反向漏電.與Ref SBD 相比,PAA SBD 的器件反向漏電降低了2 個數量級,室溫下,器件有效勢壘高度由0.65 eV 提高到0.77 eV.由于低陽極界面態密度減弱了界面陷阱對載流子輸運機制的影響,器件正向微分導通電阻從17.05 Ω·mm 降低至12.57 Ω·mm,器件性能得到大幅度提升.陽極后退火技術在實現良好的陽極界面特性,提高器件性能方面展現出了極大的優勢,對進一步實現高性能GaN 功率器件提供了指引方向.