AlGaN/GaN 肖特基二極管陽極后退火界面態(tài)修復(fù)技術(shù)*

武鵬 李若晗 張濤? 張進(jìn)成? 郝躍

1) (西安電子科技大學(xué),寬禁帶半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)

2) (西安微電子技術(shù)研究所,西安 710054)

1 引言

第三代半導(dǎo)體GaN 材料具有高擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率以及高電子飽和速度等優(yōu)勢,在無線傳能、衛(wèi)星通訊、5G 基站等高頻大功率領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力[1?5].在AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)界面較強(qiáng)自發(fā)極化和壓電極化的作用下,界面處產(chǎn)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(jìn)一步促進(jìn)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(fā)展[6?8].與PN 結(jié)二極管的工作機(jī)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(yùn)機(jī)制進(jìn)行調(diào)控,具有更小的反向恢復(fù)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(zhì)因數(shù)已經(jīng)超過3 GW/cm2,器件反向耐壓超過3 kV,展現(xiàn)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(xué)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(jié)構(gòu)對AlGaN/GaN SBD 的陽極邊緣電場進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了超過1.9 kV 的高擊穿電壓,器件功率品質(zhì)因數(shù)(PFOM)高達(dá)727 MW/cm2.2016 年,Tsou 等[15]通過優(yōu)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(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(shù)替代常規(guī)等離子體干法刻蝕技術(shù),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(shù)金屬鎢(W)陽極結(jié)構(gòu)結(jié)合陽極后退火界面態(tài)修復(fù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)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(guī)高功函數(shù)金屬鎳(Ni)陽極相比,低功函數(shù)金屬W 陽極有助于使AlGaN/GaN SBD 實(shí)現(xiàn)更低的器件開啟電壓,但較低的陽極勢壘高度導(dǎo)致器件更易受到界面陷阱的影響,因此,系統(tǒng)研究退火前后低功函數(shù)金屬W 與GaN 界面特性的變化,對實(shí)現(xiàn)同時具備低開啟電壓、低導(dǎo)通電阻及低反向漏電的高性能AlGaN/GaN SBD 具有較大的指導(dǎo)意義.

GaN SBD 器件極易受到陽極界面陷阱態(tài)的影響,導(dǎo)致反向漏電增大、導(dǎo)通電阻退化等問題.本文采用的平面陽極AlGaN/GaN SBD 結(jié)構(gòu)有效避免了凹槽陽極結(jié)構(gòu)制備中由等離子體刻蝕所引入的刻蝕損傷,能夠更精準(zhǔn)地對后退火前后低功函數(shù)金屬W 陽極界面特性的變化進(jìn)行系統(tǒng)表征.在450 ℃退火環(huán)境中,陽極金屬原子與界面處的GaN 原子結(jié)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(tài)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(dǎo)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(jié)構(gòu)與制備

圖1 為本文制備的基于低功函數(shù)金屬W 陽極的平面結(jié)構(gòu)AlGaN/GaN SBD 器件截面圖.各層材料結(jié)構(gòu)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(dǎo)電Si 襯底.其中,GaN 帽層的主要作用為保護(hù)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(jī)物化學(xué)氣相淀積設(shè)備(MOCVD)沉積而成.室溫下,接觸式霍爾設(shè)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(shí)現(xiàn)高性能AlGaN/GaN SBD 器件的基礎(chǔ).

圖1 平面陽極結(jié)構(gòu)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(jìn)行有機(jī)清洗,再把樣品放置于濃硫酸與雙氧水的混合溶液中,進(jìn)一步去除樣品表面的有機(jī)污染,潔凈的樣品表面是實(shí)現(xiàn)低阻歐姆接觸的前提.為減小后續(xù)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(fā)設(shè)備中依次沉積多層Ti/Al/Ni/Au (22 nm/140 nm/55 nm/45 nm)金屬結(jié)構(gòu),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(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備中制備器件的臺面隔離,用于抑制器件之間的相互串?dāng)_,經(jīng)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(shè)備沉積雙層W/Au (30 nm/100 nm)金屬結(jié)構(gòu)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(jìn)行300 s 時長的陽極后退火(post-anode-annealing,PAA)處理,促進(jìn)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(tài)密度,改善GaN SBD 陽極界面特性.低功函數(shù)金屬W 陽極有助于器件實(shí)現(xiàn)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(jìn)行陽極后退火的器件(Ref SBD)作為對照實(shí)驗(yàn).最后,采用等離子體增強(qiáng)原子層沉積設(shè)備生長20 nm Al2O3作為器件表面鈍化層.由于本文重點(diǎn)研究陽極后退火處理對低功函數(shù)金屬W 肖特基界面態(tài)密度的影響,所以采用平面陽極結(jié)構(gòu),避免了凹槽陽極結(jié)構(gòu)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(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行.

3 結(jié)果與討論

圖2(a)和圖2(b)分別為器件的正向?qū)ㄌ匦院头聪蚵╇娞匦?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(dá)到1 mA/mm時所對應(yīng)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(jīng)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(yīng)的微分導(dǎo)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(kuò)散,有可能生成類似WNx和GaWxNy等復(fù)雜化合物[18,19],抑制了GaN 表面處的懸掛鍵數(shù)量,大幅度降低了陽極界面態(tài)密度.因此,與Ref SBD 相比,PAA SBD 的器件開啟電壓增大,微分導(dǎo)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?qū)ㄌ匦?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(dāng)熱臺顯示溫度到達(dá)設(shè)定溫度時,需額外等待5 min 再進(jìn)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(dāng)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(dǎo)致開啟電壓降低.圖4 為基于熱電子發(fā)射模型提取的PAA SBD 和Ref SBD 器件勢壘高度隨溫度的變化關(guān)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(huán)境溫度下的0.77 eV 提高至500 K環(huán)境溫度下的1.26 eV,對應(yīng)的Ref SBD 器件的勢壘高度從0.65 eV 提升至0.88 eV.器件經(jīng)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(yīng)成鍵,形成較為復(fù)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(dǎo)致的損傷,器件勢壘高度明顯提升.

圖3 對數(shù)坐標(biāo)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(guān)系,可知器件峰值電容所對應(yīng)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(tài)陷阱存在不同的壽命,導(dǎo)致高頻條件下部分界面態(tài)陷阱難以跟隨測試頻率的變化,因此展現(xiàn)出峰值電容隨測試頻率增大而降低的現(xiàn)象.由于后退火處理有效促進(jìn)了陽極金屬W 與GaN 材料相互擴(kuò)散結(jié)合成鍵,大幅度消除了界面陷阱態(tài)密度,因此相同測試頻率下PAA SBD 器件的峰值電容遠(yuǎn)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(tài)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(tài)造成測試電容值上升.當(dāng)測試頻率逐漸增大時,壽命高的陷阱態(tài)無法及時俘獲載流子,從而不再對電容有貢獻(xiàn),導(dǎo)致測試頻率在高頻時出現(xiàn)頻散現(xiàn)象.圖6(b)為器件電導(dǎo)-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(tài)評估等效電路圖;(b) PAA SBD 和Ref SBD電導(dǎo)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(tài)對應(yīng)的壽命.陷阱態(tài)對應(yīng)的陷阱能 級Ec-ET可根據(jù)Shockley-Read-Hall (SRH)復(fù)合模型計(jì)算得出,其表達(dá)式滿足:

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

圖7 不同頻率下器件的電導(dǎo)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(tài)密度(NSS)隨測試頻率的變化關(guān)系滿足Hill-Coleman方法[20,21],其表達(dá)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(yīng)的峰值電導(dǎo),Ci為界面層電容,是陽極下方GaN 層在高頻下的強(qiáng)集聚電容,其表達(dá)式為

通過計(jì)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(tài)密度隨頻率的變化關(guān)系,器件經(jīng)過陽極后退火處理后,最高界面態(tài)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(jìn)陽極金屬與界面處GaN 材料相互融合反應(yīng)成鍵,消除陽極下方GaN 表面懸掛鍵對器件載流子輸運(yùn)機(jī)制的影響,抑制器件反向隧穿漏電機(jī)制,降低器件導(dǎo)通電阻.

圖8 PAA SBD (a)和Ref SBD (b)的界面態(tài)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(jié)果可知,器件經(jīng)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(jié)構(gòu)示意圖,當(dāng)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(jīng)由陷阱能級躍遷到導(dǎo)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(dǎo)帶,這直接導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)論

本文基于橫向結(jié)構(gòu)GaN SBD 器件系統(tǒng)研究了陽極后退火技術(shù)對GaN SBD 器件特性的影響.器件經(jīng)過退火處理后,陽極界面態(tài)密度由9.48×1015eV?1·cm?2降低到1.77×1013eV?1·cm?2,同時進(jìn)一步抑制了以隧穿機(jī)制為主導(dǎo)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(shù)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(tài)密度減弱了界面陷阱對載流子輸運(yùn)機(jī)制的影響,器件正向微分導(dǎo)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(shù)在實(shí)現(xiàn)良好的陽極界面特性,提高器件性能方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢,對進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高性能GaN 功率器件提供了指引方向.