GaN 肖特基二極管的正向電流輸運(yùn)和低頻噪聲行為*

閆大為 田葵葵 閆曉紅 李偉然 俞道欣李金曉 曹艷榮 顧曉峰

1) (江南大學(xué)電子工程系, 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心, 無錫 214122)

2) (北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心, 北京智芯微電子科技有限公司, 北京 102200)

3) (西安電子科技大學(xué), 寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071)

1 引 言

由于優(yōu)異的材料物理特性, 如高擊穿電場、高電子遷移率和高電子飽和速率, 以氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶III 族氮化物半導(dǎo)體非常適合制備功率微波電子器件, 如AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管[1].肖特基接觸是GaN 電子器件最重要的基本結(jié)構(gòu)之一, 其電學(xué)性能的優(yōu)劣對整個器件的電學(xué)特性具有關(guān)鍵影響.然而, 實(shí)際的GaN肖特基接觸的反向漏電流比理論預(yù)測值大得多.尤其是, 當(dāng)器件長時間工作在高溫和高壓條件下時,其反向電流會逐漸增大, 發(fā)生嚴(yán)重的退化行為, 給可靠性也帶來很大問題[2].例如, 較大的反向漏電流會減小反向擊穿電壓和輸出功率密度, 導(dǎo)致電流擊穿失效提前發(fā)生.因此, 理解反向漏電流的具體輸運(yùn)機(jī)制有助于提高器件的整體電學(xué)性能.與單晶硅材料不同, 外延生長的GaN 薄膜內(nèi)部往往存在高密度的線性位錯.這些位錯(主要為線性位錯和混合螺旋位錯)是過剩漏電流的主要輸運(yùn)通道,其微觀電學(xué)結(jié)構(gòu)決定了電流的偏壓和溫度依賴關(guān)系[3-5].以往, 研究者多通過測量和分析變溫電流-電壓(T-I-V)特性曲線來研究肖特基接觸的輸運(yùn)機(jī)制[6-9].雖然該方法能夠獲得有效勢壘高度等靜態(tài)電學(xué)參數(shù), 但無法獲得與缺陷相關(guān)的時間常數(shù).與之相比, 低頻噪聲技術(shù)是研究缺陷動態(tài)特性的可靠技術(shù)之一, 可用于分析缺陷對電子的捕獲效應(yīng)[10].目前, 低頻噪聲技術(shù)已被廣泛用于電子器件的粒子輻照效應(yīng)研究, 以獲取新缺陷的能級深度和時間常數(shù).

鑒于此, 本文分別利用變溫I-V法和低頻噪聲技術(shù)研究了體襯底GaN 肖特基二極管的正向電流輸運(yùn)機(jī)制和低頻噪聲行為.結(jié)果表明: 經(jīng)典熱發(fā)射(TE)機(jī)制只有在正向大偏壓下占主導(dǎo); 而在小偏壓下, 隨T從300 K 升高至450 K, 輸運(yùn)機(jī)制從缺陷輔助隧穿向熱場發(fā)射過程轉(zhuǎn)變; 只有在極小電流(I＜ 1 μA)和極低頻率下(I＜ 10 Hz)洛倫茲型噪聲才會出現(xiàn), 典型時間常數(shù)約為30 ms; 而在大電流和更高頻率下低頻1/f型噪聲占優(yōu)勢, 系數(shù)約為1.1.

2 器件制備與測試

采用的GaN 外延片是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法生長在自支撐GaN 體襯底上的, 外延結(jié)構(gòu)包括0.5 μm n+-GaN 過渡層和3 μm n-GaN 有源層.通過CL mapping 技術(shù)得到外延片的平均位錯密度Ndis約為5 × 106cm—2.圖1(a)所示為器件橫截面結(jié)構(gòu)示意圖.首先, 利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和剝離工藝定義歐姆電極的形狀和尺寸后, 利用電子束沉積Ti/Al/Ni/Au 合金, 并在750 ℃的氮?dú)猸h(huán)境中快速熱退火60 s 形成歐姆接觸; 然后, 通過等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長20 nm 的SiO2鈍化層以減少器件的表面橫向漏電流; 最后, 利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和剝離工藝定義肖特基電極的形狀和尺寸, 通過電子束蒸發(fā)Ni/Au (50 nm/250 nm)形成直徑150 μm的圓形肖特基電極.圖1(b)所示為最終制備的Ni/Au/n-GaN 肖特基二極管器件的俯視圖.利用高頻C-V(C為電容,V為電壓)法可得GaN 層的有效施主摻雜密度ND-NA約為2.08 × 1016cm—3(ND、NA分別為施主和受主的摻雜濃度), 如圖2所示; 圖2 內(nèi)插圖為 1 /C2-V關(guān)系, 通過其橫軸截距得內(nèi)建電勢約為1.06 V, 進(jìn)而計(jì)算肖特基勢壘高度約為1.19 eV.

圖1 Ni/Au/n-GaN 肖特基二極管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖(a)和器件俯視圖(b)Fig.1.(a) Schematic cross-section diagram of the fabricated Ni/Au/n-GaN Schottky diode; (b) top view image of the devices.

圖2 Ni/Au/n-GaN 肖特基二極管的摻雜濃度與結(jié)深關(guān)系曲線, 內(nèi)插圖為高頻 1 /C2 -V 數(shù) 據(jù)圖Fig.2.Dopant concentration as a function of junction depth of the fabricated Ni/Au/n-GaN Schottky diode.The inset shows a plot of 1 /C2 vs.V.

利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(Keithley 4200ASCS)測試器件的正向I-V曲線, 并從中提取反向飽和電流、理想因子、勢壘高度等基本參數(shù); 利用低頻電壓前置放大器(Stanford SR560)和頻譜分析儀(Stanford SR760)測量器件的低頻噪聲信號.

3 結(jié)果與討論

與p-n 結(jié)不同, 肖特基接觸的正向電流的載流子為多子.圖3 所示為n 型半導(dǎo)體肖特基結(jié)構(gòu)在正向偏壓下的三種基本電流輸運(yùn)過程.圖中,EFm,EFn分別是金屬和半導(dǎo)體的費(fèi)米能級,Ec為半導(dǎo)體的導(dǎo)帶,qφBn是金屬的功函數(shù),qφn為Ec和費(fèi)米能級之間的能量差.從圖3 可以看出: 1)溫度較高時,高能電子從半導(dǎo)體越過勢壘進(jìn)入金屬的經(jīng)典熱發(fā)射(TE)機(jī)制; 2)溫度較低時, 低能電子從電場獲得能量, 從半導(dǎo)體隧穿至金屬的場發(fā)射(FE)機(jī)制;3)中等溫度時(例如300 K), 以可比較的TE和FE 分量為主的熱場發(fā)射(TFE)機(jī)制.

圖3 正向偏壓下的三種輸運(yùn)機(jī)制: 1, TE; 2, TFE; 3, FE,實(shí)點(diǎn)代表GaN 中的自由電子Fig.3.Three basic transport processes under forward bias:1 is thermionic emission, 2 is thermal field emission, 3 is field emission.The solid dots represent electrons in GaN,and the solid ponts are free electron in GaN.

圖4 所示為Ni/Au/n-GaN 肖特基二極管的T-I-V特性曲線, 測試溫度范圍為300—450 K.可以看出, 在正向低偏壓下(V＜ 0.8 V), 電流隨電壓呈指數(shù)增長, 其斜率隨溫度升高逐漸減小; 而在高偏壓下, 電流隨著偏壓增大逐漸向下彎曲, 此時串聯(lián)電阻效應(yīng)顯著.通常, 理想肖特基接觸的電流行為可由經(jīng)典TE 理論來描述[11]

式中,A為肖特基接觸面積,A*～55.7A/(cm2·K2)為有效理查森常數(shù),Rs為二極管的串聯(lián)電阻,n為理想因子,k為玻耳茲曼常數(shù),I0為反向飽和電流,其值可由線性關(guān)系外延至V= 0 的電流截距得到,qφBn為金屬與n 型半導(dǎo)體接觸時零偏壓下勢壘高度.

圖4 Ni/Au-GaN 肖特基二極管的典型變溫I-V 特性曲線, 紅色實(shí)線為300 K 下TE 模型Fig.4.Forward bias I-V characteristics of Ni/Au/n-GaN Schottky diode measured at different temperatures.The red solid line is the fitting line based on TE model at 300 K.

圖4內(nèi)的紅色曲線為理論擬合曲線(T= 300 K),正向高偏置區(qū)電流與TE 模型吻合較好.圖5 所示為擬合獲得的勢壘高度, 表明q?Bn～1.25 eV 基本不隨溫度發(fā)生變化, 與電容法獲得勢壘高度接近.必須注意到, 當(dāng)V＜ 0.8 V 時二極管的實(shí)際電流遠(yuǎn)大于TE 模型的理論電流, 這表明在低偏壓下存在很大的隧穿電流分量.因此, 正向低偏壓下的電流不能利用理想的TE 模型解釋, 應(yīng)當(dāng)主要考慮隧穿電流的影響.

圖5 q?Bn 和T 的關(guān)系Fig.5.Relationship between Schottky barrier height and temperature.

對于具有高密度界面缺陷的非理想肖特基二極管, 電子從半導(dǎo)體隧穿至金屬的概率將會增大,極易發(fā)生缺陷輔助隧穿過程.此時, 反向飽和電流可寫為[12]

式中,vD～1.5 × 1013s—1為德拜頻率,D是有效缺陷態(tài)密度,m*= 0.2m0為有效電子質(zhì)量,εs= 8.9ε0為GaN 的介電常數(shù),E0為特征能量,為有效施主密度.令E0=nkT, 可以得到不同溫度下的理想因子, 結(jié)果如圖6(a)所示.可以看到, 隨著溫度的升高,n從1.47 逐漸下降到1.14, 表明熱發(fā)射電流分量逐漸增強(qiáng).具體地講, 當(dāng)T＜ 400 K 時,n＞ 1.2,FE 機(jī)制占主導(dǎo); 當(dāng)T＞ 400 K 時, 1 ＜n＜ 1.2,TFE 機(jī)制占主導(dǎo).

圖6 (a) n, (b) E0, (c) (d) qφBn 與溫度的依賴關(guān)系Fig.6.Derived values of (a) n, (b) E0, (c) , and (d) qφBn as a function of temperature.

根據(jù)(2)式, 由圖4 的電流斜率可得到不同溫度下的E0值, 結(jié)果如圖6(b)所示.隨T從300 K升高至450 K,E0從38 meV 近似線性地增加到45 meV.根據(jù)(2b)式可計(jì)算有效摻雜濃度如圖6(c)所示.隨T從300K升高至400 K,ND?從7.55×1018cm—3增大至1.03×1019cm-3,具有明顯的熱激活行為, 激活能EA～22.6 meV.值遠(yuǎn)大于體施主態(tài)濃度ND～1016cm—3, 表明可導(dǎo)位錯內(nèi)部存在高密度的潛能級施主態(tài).所以, 可導(dǎo)位錯區(qū)域形成了耗盡寬度較薄的局部勢壘區(qū), 更有利于隧穿過程的發(fā)生[13].圖6(d)所示為隧穿勢壘高度與溫度的依賴關(guān)系, 其值隨溫度從0.92 eV 逐漸減小至0.73 eV.在室溫下, 電流勢壘高度比電容勢壘高度低0.27 eV, 這主要是由于位錯施主態(tài)的熱電離導(dǎo)致的.既然可導(dǎo)位錯是形成隧穿電流的主要原因, 那么有效的導(dǎo)電面積應(yīng)遠(yuǎn)小于肖特基接觸面積.假設(shè)位錯的平均直徑為20 nm, 缺陷密度為5 × 106cm—2, 則有效導(dǎo)電面積為5.44 × 10—9cm—2,僅為電極面積的1/105.

前期研究中曾提出了可導(dǎo)位錯的精細(xì)電學(xué)物理模型[14], 其能帶示意圖如圖7 所示.位錯中心帶負(fù)電[15], 周圍淺能級施主態(tài)形成的較低勢壘區(qū)帶正電, 整體位錯在n-GaN 中呈電中性.可認(rèn)為淺能級施主態(tài)可能是O 替代N 形成的ON缺陷.在材料的生長過程中, O 原子通過N 空位進(jìn)行擴(kuò)散并在位錯終端積累, 形成高密度ON-VGa復(fù)合物, 從而影響位錯的電學(xué)特性[16].而Ga 空位形成能較低,常作為深能級受主態(tài)存在于位錯中心位置.它們能夠獲得周圍施主態(tài)的自由電子, 從而抬高此處的庫侖勢, 同時降低周圍施主態(tài)的電勢[17,18].

圖7 GaN 可導(dǎo)位錯的能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7.Schematic band gap diagram of the conductive dislocations in GaN.

下文將分析器件正向電流的低頻噪聲行為.當(dāng)缺陷輔助隧穿電流占主導(dǎo)時, 電子的連續(xù)捕獲和釋放過程會導(dǎo)致電荷渡越時間的隨機(jī)波動, 產(chǎn)生洛倫茲型噪聲; 當(dāng)熱發(fā)射電流占主導(dǎo)時, 耗盡層內(nèi)的缺陷態(tài)大量捕獲和釋放電子, 會引起肖特基勢壘分布的隨機(jī)變化, 形成低頻1/f型噪聲[19,20].考慮以上兩種情況的電壓功率密度噪聲譜可寫為

圖8 I = 1 nA 到100 μA 的低頻噪聲譜Fig.8.Low frequency noise spectrum under I = 1 nA to 100 μA.

式中,τ為電荷渡越時間或電子捕獲效應(yīng)的時間常數(shù),Aτ表示洛倫茲型噪聲的幅值,r～1 為一個常數(shù),B為低頻1/f型噪聲幅值.

圖8 所示為Ni/Au/n-GaN 肖特基二極管在不同注入電流下的低頻噪聲譜, 其中紅色曲線為理論擬合結(jié)果.可以看到, 洛倫茲型噪聲僅在小注入電流下(I＜ 1 μA)和極低頻率下(f＜ 10 Hz)時占主導(dǎo), 而在更高頻率和更大注入電流下, 1/f噪聲完全占主導(dǎo).表1 所示為擬合得到的各種參數(shù)值.1)洛倫茲噪聲幅值A(chǔ)τ為10—7量級, 但隨著電流從1 nA 逐漸增大到1 μA,τ值從50 ms 也逐漸減小至30 ms.這里, 時間常數(shù)(即電子渡越時間)的減小可歸因于大正向偏壓下隧穿勢壘高度和寬度的減小.2)在整個電流測量范圍內(nèi), 低頻1/f噪聲的r～1.1 和幅值B為10—9量級, 基本不發(fā)生變化.對于多步缺陷輔助隧穿過程, 單步的缺陷捕獲和釋放時間常數(shù)是隨機(jī)變化的, 會產(chǎn)生相對頻率較高的1/f噪聲; 在熱發(fā)射機(jī)制占主導(dǎo)的大電流條件下, 勢壘高度會因?yàn)槿毕輵B(tài)對電子的捕獲和釋放過程而發(fā)生隨機(jī)變化, 形成低頻1/f噪聲.

表1 不同正向電流下的參數(shù)變化Table 1.Values of different parameters at various forward currents.

4 結(jié) 論

本文通過T-I-V和低頻噪聲技術(shù)研究了GaN肖特基二極管的正向電流輸運(yùn)和低頻噪聲行為.在正向低電流下, 缺陷對電子的捕獲和釋放過程所導(dǎo)致的總渡越時間常數(shù)的隨機(jī)波動是產(chǎn)生洛倫茲型噪聲的主要原因; 在TE 機(jī)制占主導(dǎo)正向高電流下, 缺陷對電子的捕獲和釋放過程導(dǎo)致勢壘高度的隨機(jī)波動, 是產(chǎn)生低頻1/f噪聲的主要原因.