行业 | 南加州大学基于AlN单晶衬底和DPD掺杂研制出电流密度达 14 kA/cm²的准垂直SBD

译自原文
Al_xGa_1-xN (0.7 < x < 1) Schottky diodes using distributed polarization doped layer with a current density of 14 kA/cm²

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0325830

原文作者
Tariq Jamil, Abdullah Al Mamun Mazumder, Mafruda Rahman, Muhammad Ali, Grigory Simin, and Asif Khan

Department of Electrical Engineering, University of South Carolina

项目支持方
美国空军科学研究办公室（AFOSR）、美国国防高级研究计划局（DARPA）、南加州大学极端电子学研究所

摘要

本研究在单晶AlN衬底上生长了高铝组分 AlₓGa₁₋ₓN (0.7 < x < 1) 分布式极化掺杂准垂直肖特基势垒二极管（SBD）。该器件表现出优异的整流特性，具备高达约 14 kA/cm² 的正向电流密度及约 8.3 MV/cm 的击穿场强。同时，该二极管呈现出低理想因子（n≈ 1.2）和高肖特基势垒高度（Φ_b≈ 1.7 eV）的特性。上述结果表明，分布式极化掺杂技术在实现高电流–高压功率器件方面具有良好的可行性。

高铝组分 AlₓGa₁₋ₓN（x> 0.7）的直接带隙为 5–6.2 eV，且具有高达 12–15 MV/cm 的击穿场强，是大功率准垂直导通电子及光电子器件应用于极端环境的理想候选材料。针对此类器件，目前市面上商用直径为 2 英寸和 4 英寸、热导率达 300–350 W/m·K 的单晶 AlN 衬底亦是理想之选。然而，对于高铝组分的 AlₓGa₁₋ₓN 外延层而言，n 型和 p 型掺杂极具挑战性，这严重制约了高功率器件的开发进程。导致掺杂困难的主要原因之一在于，当 0.7 < x< 1 时，AlₓGa₁₋ₓN 中 n 型（Si，200–250 meV）和 p 型（Mg，400–600 meV）掺杂剂具有极高的电离能。此外，自补偿缺陷和 DX 中心的形成也是导致掺杂效率低下的重要原因。近期，Quinones 等人报道了生长在单晶 AlN 衬底上的 AlN 准垂直与横向肖特基二极管，其正向电流密度分别达到 >5 kA/cm² 和约 0.26 A/cm²。类似地，Mudiyanselage 等人报道的 AlN 横向肖特基二极管，其正向电流密度为 0.02–0.3 A/cm²。在此基础上，本课题组此前报道利用脉冲金属有机化学气相沉积（PMOCVD）技术生长 AlN 外延层，成功制备出准垂直 AlN 肖特基势垒二极管（SBDs），实现了约 2.6 kA/cm² 的正向电流密度。

针对高铝组分 AlₓGa₁₋ₓN（x> 0.7）外延层的 n 型和 p 型掺杂难题，一种替代方案是分布式极化掺杂（DPD）。该技术由 Jena 等人于早期提出并首次验证。随后，Zhang 等人率先将 p 型 DPD（p-DPD）层用作紫外（UVC，100–280 nm）激光二极管的 p 型限制层；此后，Kolbe 等人将这一 p-DPD 策略应用于深紫外发光二极管（LED）。此外，Agarwal 等人与 Kumabe 等人相继报道了基于 n 型和 p 型 DPD 层的准垂直导通 AlₓGa₁₋ₓN（x> 0.7）pn 结二极管。在此基础上，Ramesh 等人进一步报道了极化掺杂结型场效应晶体管（POLJFET）。近期，本课题组分别对 n 型和 p 型 DPD 层进行了深入研究，并将其应用于准垂直导通 pn 结二极管，实现了约 8.5 MV/cm 的击穿场强以及创纪录的约 23 kA/cm² 正向电流密度²⁹。然而，尽管 DPD 技术已在 pn 结与晶体管器件中得到应用，迄今为止，尚未见关于采用 n-DPD AlGaN 层制备准垂直肖特基势垒二极管（SBD）的相关报道。

本工作报道了上述基于 n 型分布式极化掺杂（n-DPD）AlₓGa₁₋ₓN（x范围为 0.7 至 1）的准垂直肖特基势垒二极管（SBD），该结构生长于单晶AlN 衬底之上。制备的器件在 10 V 偏压下正向电流密度超过 8 kA/cm²，在 15 V 下达到约 14 kA/cm²，刷新了该领域的纪录；同时器件展现出约 8.3 MV/cm 的高击穿场强。此外，该二极管表现出优异的电学特性：理想因子约为 1.2，肖特基势垒高度约为 1.7 eV，且开关电流比大于 10^¹⁰。

图 1. (a) 含 n 型分布式极化掺杂（n-DPD）层的准垂直肖特基势垒二极管（SBD）外延层结构示意图；(b) 外延层表面 5 × 5 μm² 区域的原子力显微镜（AFM）扫描图。

图 1(a) 所示的外延结构采用低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）技术在单晶 AlN 衬底上生长完成。其中，铝源、镓源和氮源前驱体分别为三甲基铝（TMA）、三甲基镓（TMG）和氨气（NH₃）；n 型接触层掺杂剂选用硅烷（SiH₄）。生长前，首先对 c 面取向的单晶 AlN 衬底依次进行有机溶剂清洗（丙酮、异丙醇）和酸洗（NH₄OH、HCl、HF），随后在 NH₃ 气氛下于 1150 °C 进行退火处理。如图 1(a) 所示，本研究的样品外延层结构依次为：约 250 nm 厚未掺杂 i-AlN 缓冲层、300 nm 厚未掺杂 i-Al₀.₈Ga₀.₂N 层，以及 1.2 μm 厚重掺杂 n⁺⁺-Al₀.₇Ga₀.₃N（硅掺杂）接触层。测试表明，该 n⁺⁺ 接触层的载流子浓度和迁移率分别约为 8 × 10¹⁸ cm⁻³ 和 32 cm²/V·s。随后，生长厚度为 400 nm 的未掺杂梯度组分 AlₓGa₁₋ₓN 漂移层，其中合金组分 x从 0.7 渐变至 1.0。所有 AlGaN 层均在 1150 °C 和 40 Torr 条件下生长。

图 2. (a) n-DPD 结构的 XRD ω-2θ (002) 摇摆曲线，显示了沿生长方向的组分梯度分布；(b) i-AlN 与 n⁺⁺-AlGaN 的非对称 (102) 倒易空间图谱；(c) 外延层的 XRD 倒空间二维扫描 (105) 图谱。

外延层的原子力显微镜（AFM）扫描结果如图 1(b) 所示。分析 AFM 数据可知，在 5 × 5 μm² 的扫描范围内，表面均方根（RMS）粗糙度约为 0.32 nm。此外，我们还利用高分辨率 X 射线衍射（HRXRD）对本研究的图 1 外延结构进行了表征。图 2(a) 所示的 (0002) ω 摇摆曲线证实了各层具有预期的组分，并确认了 Al 组分 x从 0.7 至 1.0 的线性渐变分布。随后，我们对非对称 (1012) 晶面进行了测试，结果显示 n⁺⁺-AlGaN 层和 AlN 层的半高宽（FWHM）分别约为 126 arcsec和 70 arcsec [见图 2(b)]。这些非对称衍射峰的 FWHM 值与初始衬底的测量值（约 56 arcsec）相近，表明所生长的外延层结构基本保持了近赝晶（nearly pseudomorphic）生长特性。图 2(c) 展示了外延层的 (105) 倒空间二维扫描（XRD-RSLM）图谱。由图可见，AlN 与组分渐变 AlGaN 层的衍射峰清晰可辨。鉴于这些衍射峰在面内方向（Qx）上呈共线排列，可以判定 n-DPD 层在单晶 AlN 衬底上处于近赝晶生长状态。通过拟合提取的 Al 组分最小值与最大值分别为 70% 和约 97%，这与设计目标吻合良好，也与图 2(b) 中 (0002) 摇摆曲线的分析结果一致。

利用二次离子质谱（SIMS）对 Al 和 Ga 的摩尔分数进行深度剖析，定量确定了 n 型分布式极化掺杂（n-DPD）AlₓGa₁₋ₓN（x范围为 0.7 至 1）层的组分分布。如图 3(a) 所示，Al 组分沿生长方向呈预期的线性渐变分布。图 3(b) 展示了 Si、Mg、C 和 O 浓度的 SIMS 深度分布曲线。其中，O、C、Si 和 Mg 的平均检测限分别约为 8 × 10¹⁵ cm⁻³、5.5 × 10¹⁵ cm⁻³、5 × 10¹⁶ cm⁻³ 和 3 × 10¹⁶ cm⁻³。通过精细优化生长条件，残余杂质浓度被显著降低。SIMS 数据显示，各杂质含量均接近 SIMS 的检测下限。为验证该组分渐变 n-DPD 层的极化掺杂效应，我们设计了对照实验：在 i-Al₀.₇Ga₀.₃N 缓冲层上生长相同的结构（不含 n⁺⁺-Al₀.₇Ga₀.₃N 接触层），且整个结构均无杂质掺杂（即未引入外部杂质）。随后，我们利用汞探针 CV 测试系统（Material Development Corporation）对其载流子浓度进行了测试。结果表明，即使外延层中无任何外部掺杂，利用下述公式算得的平均施主浓度（N_d- N_a）仍达到约 8.5 × 10¹⁷ cm⁻³。

式中，q为元电荷，A为测试面积，ε为真空介电常数（ε₀）与材料相对介电常数（ε_r）的乘积。针对本征 n-DPD 层，我们采用平均相对介电常数进行计算，具体方法如下：AlN 的介电常数约为 10.04，GaN 的介电常数约为 9.21。通过线性插值法，我们计算得到平均 Al 组分占比为 86% 的 Al_0.7−1Ga_0.3−0N 层，其相对介电常数 ε_r≈9.92。测试面积 A为 3.74×10⁻³cm²。上述数据均已标注于图 3(c) 中。根据 V-1/C2曲线（即 V-C2曲线），我们计算得到内建电势 V_bi=2.8V，该数值与下文图 4(c) 插图所示 I–V曲线中的开启电压相吻合。

图 3. (a) 外延层 Al 组分的二次离子质谱（SIMS）深度分布曲线，显示出线性渐变特征；(b) 外延层中 Si、C、O 和 Mg 杂质的 SIMS 深度分布数据。其中，O、C、Si 和 Mg 的检测限分别约为 8 × 10¹⁵ cm⁻³、5.5 × 10¹⁵ cm⁻³、5 × 10¹⁶ cm⁻³ 和 3 × 10¹⁶ cm⁻³；(c) n-DPD 层在室温及 10 kHz 频率下的汞探针电容–电压（CV）测试数据。平均施主浓度（Nd−Na）约为 8.5 × 10¹⁷ cm⁻³。

图 4. (a) 制备器件的截面结构示意图；(b) 制备器件的俯视图；(c) 肖特基二极管的电流密度–电压（J–V）特性曲线，插图展示了线性坐标下的 J–V 特性；(d) 直径为 30 μm 器件的反向击穿特性。

我们还利用下述公式计算了 [0001] 方向（z 轴）上的 n-DPD 净掺杂浓度分布：

式中，P_tot为总极化强度，等于压电极化（P_PZ）与自发极化（P_S）之和；x(z)为沿 z 轴的 Al 组分梯度分布（本研究中为线性函数）。对于生长在 AlN 上并保持共格应变的 AlₓGa₁₋ₓN 层，其压电极化强度由下式计算：

式中，c₁₃和 c₃₃为弹性系数，e₃₁和 e₃₃为压电模量，a为面内晶格常数。其中，AlN 和 GaN 的自发极化强度、弹性系数、晶格常数及压电模量取值均引自文献，而 AlₓGa₁₋ₓN 的相应参数则通过线性插值法（Vegard 定律）获得。利用式 (2a) 计算得到沿 [0001] 方向（z 轴）的净载流子浓度分布约为 1×10¹⁸cm⁻³。值得注意的是，该计算值与前述 C–V 测试所得结果高度吻合。

为验证 n 型分布式极化掺杂（n-DPD）AlₓGa₁₋ₓN（x范围为 0.7 至 1）层在高功率电子器件中的应用可行性，我们制备了标准圆形台面结构的准垂直导通肖特基势垒二极管（SBD）。图 4(a) 和 4(b) 分别展示了制备器件的截面示意图与俯视图。我们采用标准光刻与反应离子刻蚀（RIE）工艺制备台面（MESA），以暴露底部的 n⁺⁺-Al₀.₇Ga₀.₃N 接触层。刻蚀采用 Cl 基化学气体（BCl₃/Cl₂），刻蚀速率约为 12 nm/s。随后，利用电子束蒸发与剥离（lift-off）工艺沉积 n 型欧姆接触金属 Zr/Al/Mo/Au（厚度分别为 150 Å/1000 Å/400 Å/300 Å）。n 型接触在氮气氛围下，经 950 °C 快速热退火（RTA）处理 30 秒。通过矩形传输线模型（TLM）图形（线宽 200 μm，接触间距 2–20 μm）测试，估算得到 n⁺⁺-Al₀.₇Ga₀.₃N 层的方块电阻 R_sh与接触电阻 R_c分别约为 220 Ω/□ 和 4.5 Ω·mm。值得注意的是，TLM 测得的 Rsh与非接触式 Lehighton 测试仪测得的外延层数据高度吻合。最后，利用电子束蒸发沉积肖特基接触金属 Ni (100 nm)/Au (200 nm)。肖特基接触直径为 30 μm，其与欧姆接触的间距为 10 μm。

图 4(c) 展示了直径为 30 μm 器件的正向 I–V特性。需要注意的是，正向电流密度会受到台面下方电流分布不均匀性的影响。对于准垂直肖特基二极管，台面下方的有效电流扩展长度 L_s可由下式给出：

式中，ρ_DPD和 t_DPD分别为 n-DPD (Al_0.7−1Ga_0.3−0N) 层的电阻率与厚度，R_sh,cont为 n⁺⁺-Al_0.7Ga_0.3N 接触层的方块电阻。利用非接触式 Lehighton 测试仪测得 n-DPD 层的方块电阻 R_sh=15kΩ/□，且该层厚度为 400 nm，由此计算得到 ρ_DPD=0.6Ω⋅cm。代入数据求得本器件的 L_s≈3.3μm。因此，对于直径 D=30μm的器件，其实际导电区域并非整个圆面，而是一个环形区域：外直径等于 D，内直径等于 D−2L_s。器件几何总面积 A_T=πD²/4=7.1×10⁻⁶cm²；而有效导电面积 A_EF=A_T−π(D−2L_s)²/4=2.77×10⁻⁶cm²。电流集边效应导致器件的有效导电面积缩减至几何面积的约 1/2.55。基于此，在 15 V 偏压下测得的峰值电流 I_P=0.1A，若按几何面积计算，电流密度为 J=I_P/A_T=14kA/cm²；但若按电流实际流经的有效面积计算，有效电流密度 J_EF=I_P/A_EF=36.1kA/cm²。

图 4(d) 展示了直径为 30 μm 器件的反向击穿电压特性。击穿电压 V_BD≈210V，其定义为反向电流密度达到 10⁻³A/cm²时所对应的电压。利用下述公式，由测得的 V_BD值可计算出临界击穿电场 E_C：

由此推导出：

式中，d₀为对应于 V_BD的耗尽区宽度（满足 ）；d=0.4μm为基区（漂移层）厚度；N_D=10¹⁸cm⁻³为基区掺杂浓度；q为元电荷；ε为真空介电常数 ε₀与材料相对介电常数 ε_r的乘积。本计算中，我们沿用前文（式 (1) 下方文字）得到的 n-DPD 层平均相对介电常数 ε_r≈9.92。

值得注意的是，对于实测的 V_BD=210V，计算可得其耗尽区宽度 d₀≈0.48μm，满足 d<d₀（即未穿通）的条件。代入公式 (4b)，求得本研究 SBD 的临界击穿电场 E_C=8.3MV/cm。该击穿测试是在无钝化、无场板等终端保护结构的情况下测得的。我们认为，通过引入钝化和场板结构，器件的击穿电场有望进一步提升。

基于 I–V特性曲线，我们计算得到器件在 5 V 偏压下的比导通电阻（R_ON,sp）为 0.7 mΩ⋅cm²。利用该 R_ON,sp值与击穿电压，我们根据下式计算了巴利加优值（Baliga Figure of Merit, BFOM）：

式中，V_BD为击穿电压，R_ON为比导通电阻。经计算，本工作制备的 SBD 其 BFOM 达到 63 MW/cm²。

图 5. 本工作与已报道的 n-AlN/AlGaN 基准垂直肖特基二极管的性能对比：(a) 理想因子与电流密度的关系对比；(b) 准垂直肖特基势垒二极管的开关比对比。所有对比器件均基于单晶 AlN 衬底。

为从正向 I–V 曲线的线性区域提取理想因子 (η) 与肖特基势垒高度 (φ_b)，我们采用热电子发射模型下的二极管方程进行分析：

其中饱和电流 I_s由下式给出：

有效理查森常数 A∗定义为：

式中，I_s、η、φ_b、A、A^*、q、k_B及 T分别代表饱和电流、理想因子、肖特基势垒高度、二极管阳极面积、有效理查森常数、电子电荷、玻尔兹曼常数及温度。实际二极管的正向 I-V 特性受多种因素影响，包括低电压下的漏电流、产生-复合电流以及高电压下的串联电阻效应。为计算理想因子，我们将式 (6a) 应用于斜率最大的指数区，该区域位于 1.8–2.2 V 电压范围内。该方法与超宽禁带二极管研究领域的主流分析手段一致，确保了结果的可比性。基于文献报道的 GaN（约 0.222 m₀）与 AlN（约 0.48 m₀）电子有效质量数据，并取通用理查森常数 A^*~120 A⋅cm⁻²⋅K⁻²，我们推算出 Al_0.86Ga_0.14N的有效质量 m^*约为 0.44 m₀，进而得出其有效理查森常数 A^*~53 A⋅cm⁻²⋅K⁻²。最后，利用式 (6b) 提取了 Ni/Al_0.63Ga_0.37N肖特基界面的势垒高度。结果表明，该器件的理想因子约为 1.2，肖特基势垒高度约为 1.7 eV。

图 5(a) 展示了准垂直结构 SBD 的理想因子随电流密度变化的基准对比图。需注意，为确保对比的一致性，图中所有文献数据均选取器件在 10 V 偏压下的电流密度值。类似地，图 5(b) 展示了准垂直 SBD 的开关比基准对比。综合上述对比可见，本研究所得结果在目前已报道的 宽禁带 Al_xGa_1-xN（0.7 < x < 1） 准垂直 SBD 中处于领先水平。

综上所述，本研究报道了极化掺杂高铝组分 AlxGa1-xN（0.7 < x < 1）材料及其准垂直肖特基势垒二极管。 该器件表现出优异的电学性能：肖特基势垒高度（φ_b）约为 1.7 eV，理想因子（η）低至 1.2；在 15 V 偏压下实现了 14 kA/cm² 的峰值电流密度（创纪录水平），同时获得了超过 8 MV/cm 的高反向击穿场强。