肖特基型p-GaN柵極電致發(fā)光研究

邱 然，劉禹涵，李百奎

深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060

寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)開關(guān)型功率電子器件具有耐高溫、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)頻率高及抗輻射等特性，是發(fā)展下一代低損耗、高功率密度、高可靠性及高效電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心器件[1-2]. GaN開關(guān)型功率電子器件為基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子遷移率場(chǎng)效應(yīng)管(high electron mobility transistors, HEMTs)，其電子溝道由界面處的二維電子氣(2-dimensional electron gas, 2DEG)提供. 2DEG的形成源于氮化物半導(dǎo)體的極化特性[3]. 高濃度、高遷移率的2DEG溝道，在實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的同時(shí)，也決定了AlGaN/GaN HEMTs為常開型，即在零柵壓時(shí)，溝道處于導(dǎo)通狀態(tài). 為簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)并保證驅(qū)動(dòng)失效時(shí)的安全，常關(guān)型器件在應(yīng)用中具有更大優(yōu)勢(shì). 目前，可通過(guò)多種不同溝道耗盡技術(shù)來(lái)制造常關(guān)型GaN器件，如氟離子注入[4]、勢(shì)壘層再生長(zhǎng)[5]、超薄勢(shì)壘層[6]、柵區(qū)勢(shì)壘層移除[7-8]及p-GaN 柵[9-11]技術(shù)等. 由于缺少理想的柵介質(zhì)，盡管可以實(shí)現(xiàn)較大的柵壓擺幅，基于前4種技術(shù)的金屬絕緣體半導(dǎo)體(metal insulator semiconductor, MIS)或金屬氧化物半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor, MOS)柵常關(guān)型GaN功率HEMTs的發(fā)展受到限制. p-GaN柵技術(shù)，即在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)上引入p-GaN層形成“金屬/p-GaN/AlGaN/GaN”結(jié)構(gòu)的柵極，可以有效耗盡溝道2DEG，是目前制造常關(guān)型GaN功率HEMTs的主流方案，為世界各主要電子器件制造商所采用.

p-GaN柵為金屬/p-GaN/AlGaN/GaN形成的金屬半導(dǎo)體(metal semiconductor, MS)肖特基結(jié)+直接帶隙半導(dǎo)體雙邊異質(zhì)PIN結(jié). 在正向柵壓下，p-GaN柵不可避免地發(fā)生電子和空穴的雙向注入以及電致發(fā)光，給器件的可靠性和穩(wěn)定性帶來(lái)復(fù)雜影響. 如電子由2DEG溝道注入到p-GaN層并被電子陷阱俘獲時(shí)，將導(dǎo)致閾值電壓漂移[12]. 空穴由p-GaN注入到溝道層并與2DEG電子復(fù)合時(shí)，可以發(fā)射高能量的紫外光. 紫外光可以激發(fā)GaN緩沖層中的復(fù)合缺陷中心，導(dǎo)致關(guān)態(tài)漏電的增加[13]. 因此，研究p-GaN柵極在正向柵壓下電子和空穴的注入與復(fù)合過(guò)程，以及溫度對(duì)載流子注入的影響，是全面理解p-GaN柵HEMTs工作特性的重要組成部分.

本研究制造了肖特基型的p-GaN柵器件，即肖特基金屬/p-GaN/AlGaN/GaN器件，并測(cè)試了該器件在不同偏壓下的電致發(fā)光光譜. 結(jié)果表明，在正向柵壓下，電子首先被注入到p-GaN層中. 當(dāng)柵壓超過(guò)6 V時(shí)，空穴可以被注入到溝道層與2DEG電子復(fù)合. 在固定偏壓下，當(dāng)溫度升高時(shí)，p-GaN柵極的電致發(fā)光強(qiáng)度增加.

1 晶圓結(jié)構(gòu)、器件制造及表征

實(shí)驗(yàn)所用晶圓為利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)在直徑15 cm(111)硅襯底上生長(zhǎng)的p-GaN/AlGaN/GaN-on-Si結(jié)構(gòu)，具體包括厚度為70 nm的p-GaN層、厚度為15 nm的Al0.2Ga0.8N勢(shì)壘層、厚度為300 nm的GaN溝道層以及厚度為4 μm的緩沖層.其中， p-GaN層中Mg的摻雜密度約為1×1019cm-3.

器件制造采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻方法，主要流程包括：① 利用氯基感應(yīng)耦合反應(yīng)離子(inductively coupled plasma - reactive ion etching, ICP-RIE)刻蝕傳輸區(qū)的p-GaN層；② 利用電子束蒸發(fā)在AlGaN表面蒸鍍Ti/Al/Ni/Au金屬，然后經(jīng)過(guò)850 ℃高溫快速退火30 s，形成2DEG溝道的歐姆接觸電極；③ 在p-GaN表面利用電子束蒸鍍Ni/Cr(厚度為5 nm/6 nm)的半透明電極；④ 利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)方法在器件表面沉積厚度為50 nm的SiN作為鈍化層，沉積溫度為300 ℃. 器件之間的絕緣隔離利用氟離子注入實(shí)現(xiàn)[14]；⑤ 用氟基ICP-RIE將電極上部分區(qū)域的SiN刻蝕并蒸鍍Ni/Au(厚度為50 nm/150 nm)金屬作為引線電極.器件結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 p-GaN柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 (Color online) Schematic cross section of a metal/p-GaN/AlGaN/GaN device

采用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀(型號(hào)為Keysight1505)表征器件的電流-電壓曲線，并將其用作測(cè)量電致發(fā)光光譜時(shí)的恒定電壓源. 電致發(fā)光光譜由光譜儀(型號(hào)為Andor550)和電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)探測(cè)器(型號(hào)為Newton920)采集.器件放置于小型冷熱臺(tái)(型號(hào)為L(zhǎng)inkam420)中，以實(shí)現(xiàn)室溫到高溫的電致發(fā)光測(cè)試.

2 不同偏壓下的電致發(fā)光光譜

在正向柵壓下，p-GaN柵結(jié)構(gòu)中的PIN結(jié)，即p-GaN/AlGaN/GaN(2DEG)為正向偏置. 電子可以由2DEG溝道越過(guò)AlGaN勢(shì)壘層注入到p-GaN層. 而p-GaN柵結(jié)構(gòu)中的肖特基結(jié)，即金屬/p-GaN結(jié)為反向偏置. 盡管該肖特基結(jié)的勢(shì)壘高度大于1 eV，但p-GaN上的肖特基結(jié)一般具有較大的反向漏電[15-16]，在較大偏壓下，該肖特基界面也存在空穴注入. 圖2為肖特基型p-GaN柵結(jié)構(gòu)的電流電壓曲線.

圖2 正向偏置肖特基型p-GaN柵在室溫下的電流電壓曲線Fig.2 Current-voltage curve of the metal/p-GaN/AlGaN/GaN diode under forward bias measured at room temperature

GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，電子空穴雙向注入時(shí)，將發(fā)生電致發(fā)光. GaN的發(fā)光特征與摻雜情況密切相關(guān)[17]. Mg摻雜的p-GaN發(fā)光譜主要為峰值在 2.8 eV的藍(lán)光峰和在1.8 eV的紅光，其中，紅光的光強(qiáng)相對(duì)較弱. 非有意摻雜的GaN發(fā)光譜包括峰值在3.4 eV的帶邊峰和峰值在2.2 eV的黃光峰. 低激發(fā)功率或低注入電流時(shí)，低光子能量的發(fā)光峰占主導(dǎo). 隨著激發(fā)功率或注入電流的增加，高光子能量發(fā)光峰的強(qiáng)度增加[17]. 因此，通過(guò)不同偏壓下的電致發(fā)光光譜，可以分析電子和空穴的注入過(guò)程.

圖3 室溫下肖特基型p-GaN柵極在不同正向柵壓的電致發(fā)光光譜Fig.3 (Color online) Electroluminescence spectra of a metal/p-GaN/AlGaN/GaN diode under different forward bias voltages measured at room temperature

圖3為室溫下肖特基金屬/p-GaN/AlGaN/GaN器件在不同偏壓的電致發(fā)光光譜.可見(jiàn)，在4.5 V的偏置電壓下，電致發(fā)光譜中僅有峰值在1.8 eV的紅光峰，表明電子首先由2DEG溝道注入到了p-GaN層. 在p-GaN層中，電子弛豫到深施主能級(jí)，空穴弛豫到深受主能級(jí)，然后復(fù)合發(fā)出紅光. 當(dāng)偏置電壓大于5 V時(shí)，電致發(fā)光光譜中出現(xiàn)了峰值在2.2 eV的黃光峰，表明空穴由p-GaN層中被注入到溝道層. 在非有意摻雜的溝道層中，空穴首先弛豫到深受主能級(jí)，然后與溝道電子復(fù)合發(fā)出黃光. 當(dāng)偏置電壓繼續(xù)增加時(shí)，更多電子被注入到p-GaN中，隨著深施主-深受主復(fù)合中心飽和，導(dǎo)帶電子和深受主能級(jí)上的空穴復(fù)合，發(fā)出峰值在2.8 eV的藍(lán)光；更多的空穴被注入到溝道層，隨著深施主能級(jí)的飽和，空穴和電子發(fā)生帶邊復(fù)合，發(fā)射GaN帶邊3.4 eV的紫外光. 隨著偏置電壓的進(jìn)一步增加，3.4 eV的帶邊發(fā)光強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng). 電致發(fā)光光譜中的強(qiáng)度震蕩來(lái)自電致發(fā)光在樣品上表面和下面反射所導(dǎo)致的干涉現(xiàn)象．

電致發(fā)光光譜揭示了p-GaN柵結(jié)構(gòu)在正向柵壓下的電子和空穴注入順序，這有助于研究p-GaN柵HEMT的閾值電壓漂移機(jī)制. 當(dāng)“開”態(tài)柵壓較低時(shí)，電子被注入到p-GaN，有可能被電子陷阱俘獲，從而導(dǎo)致閾值電壓正向漂移. 而當(dāng)“開”態(tài)柵壓大于6 V時(shí)，大量空穴被注入到溝道層并與2DEG電子復(fù)合發(fā)射帶邊紫外光. 高光子能量的紫外光可以激發(fā)電子陷阱，抑制閾值電壓漂移. 同時(shí)，這些高能量光子也可以激發(fā)溝道層或緩沖層中的擴(kuò)展缺陷中心，產(chǎn)生持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)，從而導(dǎo)致“關(guān)”態(tài)的漏電增加，影響器件的可靠性.

3 變溫電致發(fā)光光譜

開關(guān)型p-GaN柵功率HEMTs工作時(shí)，由于存在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，器件溫度可達(dá)150 ℃以上[18]. 因此，研究高溫下的電致發(fā)光光譜和載流子注入過(guò)程，對(duì)于p-GaN柵HEMTs的應(yīng)用具有重要意義.

圖4為p-GaN柵極在不同溫度下的電致發(fā)光光譜，正向柵壓為8 V. p-GaN中的復(fù)合效率遠(yuǎn)低于非有意摻雜溝道層中的復(fù)合效率[17]. 在8 V柵壓下，p-GaN柵極的電致發(fā)光光譜主要表現(xiàn)為源自溝道層的黃光峰和帶邊紫外發(fā)光峰. 當(dāng)溫度升高時(shí)，GaN中的輻射復(fù)合效率下降[17]，這是導(dǎo)致LED在高溫下發(fā)光強(qiáng)度降低的主要原因. 而在p-GaN柵極中，當(dāng)溫度從0 ℃升高到200 ℃時(shí)，8 V柵壓下的電致發(fā)光強(qiáng)度增加了2個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖4，表明隨著溫度增加，更多空穴被注入到了溝道層.

圖4 柵壓為8 V時(shí)，p-GaN柵極在不同溫度下的電致發(fā)光光譜Fig.4 (Color online) Electroluminescence spectra of a metal/p-GaN/AlGaN/GaN diode with 8 V bias voltage measured at different temperatures

正向柵壓下，金屬/p-GaN肖特基結(jié)處于反偏狀態(tài). 空穴在反偏肖特基界面的注入機(jī)制包括：① 從金屬費(fèi)米能級(jí)到p-GaN導(dǎo)帶的熱致激發(fā)；② 直接隧穿注入或通過(guò)p-GaN層中的缺陷態(tài)隧穿注入. 當(dāng)溫度升高時(shí)，空穴的熱動(dòng)能增加，通過(guò)熱致激發(fā)可以使更多空穴注入到p-GaN中. 另外，由于p-GaN層中Mg中心的激活能為170 meV[19]， 室溫下僅有10%左右的Mg摻雜中心被激活. 隨著溫度升高，Mg中心的激活效率增加，p-GaN中的空穴濃度增加. 當(dāng)半導(dǎo)體中的載流子濃度增加時(shí)，肖特基結(jié)的耗盡區(qū)變窄[20]，有助于空穴直接隧穿或者通過(guò)缺陷態(tài)隧穿注入. 因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬/p-GaN肖特基界面處的熱致空穴注入增強(qiáng)，更多空穴被注入到溝道區(qū)中，從而導(dǎo)致高溫下的電致發(fā)光增強(qiáng).

更多的空穴注入和更強(qiáng)的紫外光輻射，有利于抑制電子陷阱對(duì)p-GaN柵HEMTs穩(wěn)定性的影響，如閾值電壓漂移或電流坍塌等. 更強(qiáng)的紫外光增加了復(fù)合缺陷中心被激發(fā)的概率. 但當(dāng)溫度升高時(shí)，復(fù)合缺陷中心在平衡態(tài)下被電子占據(jù)的概率降低，恢復(fù)時(shí)間更短. 因此，需要進(jìn)一步研究評(píng)估高溫下柵極電致發(fā)光增強(qiáng)對(duì)p-GaN柵HEMTs穩(wěn)定性和可靠性的影響.

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)研究p-GaN柵極的電致發(fā)光光譜，揭示了p-GaN柵極在正向偏壓下的電子和空穴雙向注入過(guò)程. 當(dāng)柵壓較低時(shí)，電子首先由溝道注入到p-GaN層中；柵壓增加時(shí)，空穴由p-GaN注入到溝道層. 當(dāng)溫度升高時(shí)，固定柵壓下的電致發(fā)光強(qiáng)度顯著增加，揭示了在金屬/p-GaN界面處的熱致空穴注入增強(qiáng)現(xiàn)象.