1000 V p-GaN混合陽極AlGaN/GaN二極管?

唐文昕 郝榮暉2) 陳扶 于國浩? 張寶順?

1)(中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,納米器件與應用重點實驗室,蘇州 215123)

2)(南京理工大學材料科學與工程學院,南京 210094)

(2018年6月21日收到；2018年7月22日收到修改稿)

1 引 言

1986年,Amano等[1]用金屬有機化學氣相沉積法成功外延出表面光滑無裂紋的GaN單晶層,引發(fā)了GaN材料的研究熱潮.Si基AlGaN/GaN肖特基勢壘二極管(AlGaN/GaN SBD)具有高工作頻率、低開態(tài)電阻和高擊穿場強等優(yōu)異的電學性能[2?4],在功率轉(zhuǎn)換裝置,如升壓轉(zhuǎn)換器、半橋逆變器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器[5?7]和功率因數(shù)校正電路中發(fā)揮著重要的作用.AlGaN/GaN SBD擁有優(yōu)異性能的主要原因是AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中壓電極化和自發(fā)極化效應能夠產(chǎn)生高濃度和高電子遷移率的二維電子氣(2DEG)[8].

傳統(tǒng)的AlGaN/GaN SBD面臨著擊穿電壓小、熱穩(wěn)定性差、電流密度低[9]、正向電流和反向擊穿電壓相互制衡等不足.為了改善AlGaN/GaN SBD的擊穿特性,大量研究工作已經(jīng)展開.2016年,Hu等[10]研究了結(jié)終端AIGaN/GaN SBD,在凹槽與陽極連接凹槽邊緣處淀積一層Si3N4柵介質(zhì),擊穿電壓為600 V(VBD@1μA/mm)；2017年,Bai和Du[11]設(shè)計了一種鈍化層由高介電常數(shù)La2O3和低介電常數(shù)SiO2混合材料制備的AlGaN/GaN SBD,擊穿電壓可達902 V(VBD@1 mA/mm)；2017年,Ma和Zanuz等[12]人研究的場板結(jié)合三維晶體管結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN SBD,擊穿電壓可達500 V(VBD@10 nA/mm).2018年,Lei等[13]研究了雙溝道雙凹槽陽極結(jié)構(gòu)AIGaN/GaN SBD,將金屬氧化物半導體場板設(shè)置在淺凹陷區(qū)域上夾斷下面的溝道,抑制器件截止狀態(tài)時的泄漏電流,擊穿電壓可達704 V(VBD@1μA/mm).然而,現(xiàn)有GaN基肖特基勢壘二極管的擊穿電壓一般只能達到理論值的50%左右[14],進一步提升擊穿電壓成為了研究的焦點.

本文提出了一種新型p-GaN混合陽極高阻蓋帽層(p-GaN HRCL)AlGaN/GaN二極管,在傳統(tǒng)AlGaN/GaN SBD的基礎(chǔ)上進行兩方面結(jié)構(gòu)改進:一是p-GaN混合陽極結(jié)構(gòu),在陽極區(qū)域引入Mg摻雜的p-GaN,通過p-GaN的摻雜濃度對器件的開啟電壓實現(xiàn)調(diào)控；二是高阻GaN蓋帽層結(jié)構(gòu),在陰陽極之間利用自對準氫等離子體技術(shù)鈍化非電極區(qū)域獲得,改善電極之間的電場分布,有效提高器件擊穿電壓.

2 器件結(jié)構(gòu)與制備

p-GaN HRCL二極管結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,Ni/Au接觸p-GaN區(qū)域向陰極延伸1.5μm,陽極陰極間距Lac=10μm,臺面寬度150μm.本文使用的p-GaN/AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)是在2英寸Si(111)襯底上通過金屬有機化學氣相沉積外延結(jié)得到的,器件外延結(jié)構(gòu)自下而上分別為:4.8μm C摻雜高阻GaN緩沖層,150 nm GaN溝道層,1 nm AlN空間層,18 nm未摻雜的Al0.2Ga0.8N勢壘層和70 nm Mg摻雜濃度為2—3×1019cm?3的p-GaN結(jié)構(gòu).

器件隔離采用F離子注入,注入能量分別為:140,80,40 keV,注入劑量分別為:1.2×1014,6×1013,4×1013cm?2.歐姆接觸采用氯基感應耦合等離子體刻蝕技術(shù)(ICP)將表面p-GaN層刻掉.接著,使用光刻膠做掩膜,電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au(20 nm/130 nm/50 nm/100 nm)多層金屬,剝離后在氮氣氛圍下890?C 30 s的快速熱退火形成歐姆接觸.在陽極蒸發(fā)Ni/Au(50 nm/150 nm)金屬層,與覆蓋的p-GaN形成歐姆接觸.最后,對器件進行氫等離子體處理,以鈍化非電極區(qū)域p-GaN,在氮氣氛圍下進行350?C 5 min的快速退火,修復氫離子注入時產(chǎn)生的損傷.氫等離子體處理采用Oxford Plasmalab System 100 ICP 180,RF功率2 W,ICP功率300 W和壓強8 mTorr.注入的氫與p-GaN中的Mg施主形成絡(luò)合物,將p-GaN形成高阻GaN(HR-GaN)[15].圖2為器件能帶示意圖,可以看到,HR-GaN下方能帶壓低,AlGaN/GaN界面處的2DEG重新感生,傳輸線方法測試了鈍化之后的材料,其方塊電阻570 ?/?,接觸電阻0.7 ?.mm；p-GaN下方的導帶被抬高[16],對應溝道下方二維電子氣被耗盡.

圖1 p-GaN HRCL二極管結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1.Schematic cross-sectional structure of p-GaN HRCL diode.

圖2 二極管中HR-GaN區(qū)域(實線)和p-GaN區(qū)域(虛線)能帶結(jié)構(gòu)Fig.2.Band diagram of HR-GaN region(solid line)and p-GaN region(dotted line)in the diode.

3 結(jié)果與討論

對器件進行正向偏壓測試,獲得的正反向掃描(第一次方形,第二次圓形)p-GaN HRCL二極管I-V特性及其對數(shù)圖像如圖3所示.器件陰陽極間距Lac=10μm,開啟電壓Von為+1.2 V(本文中定義Von@1 mA/mm),最大正向電壓10 V時,電流密度可達533 mA/mm.器件在100 mA/mm下的比導通電阻Ron,sp為3.75 m?/cm2,從圖4擊穿電壓對應比導通電阻的值中可以看出,p-GaN HRCL二極管相較于其他類型的GaN SBD而言處于國際水平.

圖3 (a)線性坐標和(b)半對數(shù)坐標下的p-GaN HRCL二極管正向I-V特性Fig.3.p-GaN HRCL diodeforward I-V characteristics in linear coordinates(a)and semi-logarithmic coordinates(b).

圖4 GaN二極管擊穿電壓對應比導通電阻,紅色五角星為p-GaN HRCL二極管Fig.4. Breakdown voltage versus Ron,spfor GaN SBD.The red star represents the p-GaN HRCL diode.

反向偏壓0到1 kV測試范圍內(nèi),器件耐壓特性如圖5所示,在 Lac=10μm的條件下,耐壓高達1 kV(文中定義擊穿電壓VBD@1×10?4A/mm),在漏電流小于1×10?5A/mm條件下,器件獲得了大于875 V的擊穿電壓.器件的高耐壓是由于圖6所示的極化效應[7],圖6(b)器件中HR-GaN/AlGaN界面處出現(xiàn)負電荷,相對于圖6(a)器件中沒有HR-GaN高阻蓋帽層的結(jié)果而言,圖6(b)器件表面的高阻蓋帽層能夠增加Al-GaN中的垂直電場,減少肖特基接觸附近的橫向電場集中,降低器件峰值電場強度,提高擊穿電壓.

圖5 p-GaN HRCL二極管反向擊穿特性Fig.5.Reverse breakdown characteristic of p-GaN HRCL diode.

圖6 (a)無HRCL p-GaN二極管和(b)HRCL p-GaN二極管垂直電場分布Fig.6.Vertical electric field distribution of p-GaN diode without HRCL(a)and with HRCL(b).

4 總 結(jié)

在傳統(tǒng)Si基AlGaN/GaN肖特基勢壘二極管結(jié)構(gòu)上,本文提出了一種新型p-GaN混合陽極HRCL AlGaN/GaN二極管.器件通過陰陽極之間的高阻GaN蓋帽層結(jié)構(gòu),改善電極之間的電場分布,提高擊穿電壓；同時在陽極區(qū)域引入Mg摻雜的p-GaN,耗盡溝道下方二維電子氣,通過摻雜濃度調(diào)控開啟電壓.實驗結(jié)果表明,p-GaN HRCL二極管陰陽極間距Lac為10μm,器件擊穿電壓大于1 kV,開啟電壓+1.2 V,有效提高AlGaN/GaN勢壘二極管電學性能.我們將進一步研究p-GaN中Mg2+摻雜濃度對開啟電壓的調(diào)控作用,實現(xiàn)p-GaN HRCL二極管更低的正向開啟電壓.