行业 | 天野浩团队通过极化掺杂实现接近理想因子的AlN基垂直p-n结二极管

译自原文：
Demonstration of AlN-based Vertical p-n Diodes with Dopant-free Distributed Polarization Doping

原文作者：
Takeru Kumabe, Akira Yoshikawa, Seiya Kawasaki, Maki Kushimoto, Yoshio Honda, Manabu Arai, Jun Suda, and Hiroshi Amano

原文链接：
https://doi.org/10.36227/techrxiv.170327272.20526300/v1

摘要：
本文报道了在AlN单晶衬底上制备出近乎理想品质因子的垂直Al_xGa_1−xN（0.7≤ x ＜1.0）p-n结二极管，p-n结的p型层和n型层均采用分布式极化掺杂(DPD)，而不是传统的杂质掺杂，克服了AlN基材料的主要瓶颈：电导率的控制。电容电压测量表明，净电荷浓度与器件层结构预期的DPD 电荷浓度非常吻合。制备的器件具有6.5 V的低导通电压，低至3 mΩ cm²的微分导通电阻及低电致发光（最大5.1eV），以及在较宽温度范围内（室温至573℃）理想因子低至2。此外，击穿电场为7.3 MV/cm，几乎是相同掺杂浓度下GaN临界电场的两倍。这些结果清楚的表明了DPD在制备高性能AlN基功率器件方面的有效性及其巨大潜力。

术语：
氮化铝（AlN）、分布式极化掺杂（DPD）、垂直p-n结二极管。

引言

AlN和高Al组分AlGaN由于其高禁带宽度（高达6 eV）和高临界电场（预计高达15MV cm⁻¹）而成为下一代高功率器件的焦点材料。近年来，随着具有低螺纹位错密度(<10⁴ cm⁻²)的高质量AlN单晶衬底的商品化，其在垂直功率器件领域的潜在应用受到了广泛关注。然而，即使采用了高质量的AlN衬底，但仍尚未实现具有理想电性能的AlN基垂直器件。这些器件面临的一个主要技术挑战是实现大范围的可控导电性。具体来说，AlN中硅供体(280 meV)和镁受体(630  meV)的电离能较大，这给在室温(RT)下获得导电层带来了很大困难。

分布式极化掺杂（Distributed Polarization Doping）最早由Jena等人于2002年提出并得到证实，作为氮化物半导体的一种独特掺杂技术而备受瞩目。由于DPD仅通过氮化物半导体的组分分级而不需要掺杂杂质来诱导电子和空穴的产生，因此它有可能解决氮化铝基材料中电导率控制的难难。迄今为止，我们已经对无掺杂DPD形成的GaN基垂直p-n二极管进行了广泛的研究，结果表明它具有理想的击穿电场、高空穴迁移率等优异的电学性能，且与p-GaN:Mg相比，电子寿命更长，扩散系数更大。此外，本课题组还把DPD用于AlN基激光二极管的p型包层，以提高其导电性和透明度。因此，我们成功地制备出了室温下具备连续发光能力的AlN基深紫外（UVC）激光二极管。尽管这一成果显示了DPD在克服AlN基材料挑战方面的巨大潜力，但在其它AlN基器件应用中还没有成功案例。此外，缺乏具有期望电气特性的器件也限制了我们对AlN基材料性质的理解。

从应用和基础研究的角度来看，p-n二极管(PND)是半导体技术中的关键部件。然而，对于AlN摩尔组分超过30%的AlGaN来说，使用传统的杂质掺杂技术还无法实现具有理想电气特性的PND。在本研究中，我们证明了使用p-n结的p型层和n型层的无掺杂DPD技术，制备出接近理想品质因子的AlN基垂直p-n二极管。电容-电压（C-V）测量结果表明，净电荷浓度几乎与测量到的组分梯度所预期的相等。正向偏压电流密度-电压（J-V）特性显示，在较宽的温度范围内，理想因子约为2.0，这表明复合电流与典型的p-n二极管相似。对于反向偏压J-V特性，尽管缺少边缘终端结构，但估计的平行面击穿电场仍大于7 MV/cm。

实验

图1展示了所制备的p⁺-n二极管的剖面示意图。器件层结构在(0001)平面半绝缘AlN基底上通过金属有机气相外延(MOVPE)生长。AlN单晶衬底是通过物理气相传输方法制备的，其螺纹位错密度(TDD)约为10³~10⁴ cm⁻²。衬底顶部的层被非故意掺杂(UID)-AlN(900 nm)、n⁺-Al_0.7Ga_0.3N:Si([Si]:1×10¹⁹ cm⁻³,300 nm)、n-DPD AlGaN（非杂质掺杂，400 nm）、p⁺-DPD AlGaN（非杂质掺杂，>70 nm）和p⁺⁺-GaN:Mg([Mg]:1×10²⁰ cm⁻³，20 nm)。n-DPD AlGaN和p-DPD AlGaN中的AlN摩尔组分(x)沿[0001]方向从70%到95%呈线性分布，其剖面与结平面不对称，形成单侧突变p⁺-n结结构。p⁺-DPD AlGaN和n-DPD AlGaN层的平均负电荷浓度和正电荷浓度(N^-_DPD和N⁺_DPD)分别为1.8×10¹⁸ cm⁻³和2.6×10¹⁷ cm⁻³。

图1：所制备的p⁺-n二极管的横截面示意图。AlGaN中Al组分(x)沿[0001]轴线性分布。在p⁺-DPD Al_xGa_1−xN层和p⁺⁺-GaN:Mg层之间存在一个值为x的过渡区。

生长阶段结束后，通过一系列工艺制备二极管。首先，在973 K的N₂环境中退火5分钟，激活（脱氢）p⁺⁺-GaN:Mg层。然后通过Cl₂基电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)和25%的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液在353 K下湿法蚀刻(15分钟)的组合来确定垂直网格结构。采用两步ICP-RIE可以最大程度减少干蚀刻引起的损伤并改善阴极欧姆接触。在用PECVD沉积SiO₂层保护器件表面后，沉积V/Al/Ni/Au堆叠，并在1023 K的N₂环境中烧结形成阴极欧姆电极。此外，还通过PECVD沉积了一个Ni/Au堆叠，作为阳极欧姆电极。在电极区域沉积Ti/Au堆叠以进行探测并用聚酰亚胺对表面进行钝化后，制备过程结束。

采用x射线衍射倒易空间映射(XRD-RSM)测量了DPD层的赝晶生长和最小AlN摩尔组分。还进行了二次离子质谱(SIMS)测量，以确定p-n结周围的AlN分子分数和残余杂质浓度的深度剖面特征。此外，还进行了C-V和J-V测量，以分别表征所制造二极管的空间电荷分布和载流子传输特性。还通过光发射显微镜和透射电子显微镜(TEM)测量研究了反向电流泄漏机制。

结果与讨论

A.结构性能

图2显示了所制备样品(1124)面的XRD-RSM图。除了AlN峰之外，还可以观察到连续的AlGaN峰，这是组分分级的AlGaN层所特有的。这些AlGaN峰在面内(Q_x)方向与AlN峰精确对齐，证实DPD层是在AlN衬底上赝晶生长的。提取x的最大值和最小值(x_Max和x_Min)分别为95%和70%，证实图1所描述的层结构是按预期生长的。

图2：所制备样品(1124)面的XRD-RSM图。插图显示了纤锌矿晶体中的(1124)面。“弛豫”线下的峰值来自AlN衬底，而非弛豫AlGaN层。

图3（a）显示了SIMS测定的Si、Mg、C、O和Fe浓度深度分布图。Si的检测极限为2×10¹⁶ cm⁻³，Mg为4×10¹⁵ cm⁻³，C和O为1×10¹⁶ cm⁻³，Fe为5×10¹⁴ cm⁻³。由于对生长条件进行了精心优化以减少残留杂质，因此在n-DPD AlGaN层中的杂质浓度低于5×10¹⁶ cm⁻³，接近检测极限。图3(b)显示了SIMS测定的AlN摩尔组分(x)的深度分布图，并对其进行了校正，以定量分析合金组分。x沿整个pn结的深度方向线性渐变。根据x的梯度计算出的期望N⁻_DPD和N⁺_DPD值绘制在右轴上[N=q⁻¹dP(w)/dw，其中q为基本电荷，P为自发极化和压电极化之和，w为深度坐标]。N⁻_DPD和N⁺_DPD的平均值分别为1.8×10¹⁸ cm⁻³和2.6×10¹⁷ cm⁻³。TEM分析证实了SIMS测定的p⁺-DPD AlGaN和n-DPD AlGaN层的厚度是准确的。这一结果表明器件层结构已按设计成功制备。

 图3：(a)SIMS测定的Si、Mg、C、O和Fe浓度深度分布图。Si的检测极限为2×10¹⁶ cm⁻³，Mg为4×10¹⁵ cm⁻³，C和O为1×10¹⁶ cm⁻³，Fe为5×10¹⁴ cm⁻³。(b)SIMS测定x的深度剖面图(左)和预期DPD电荷浓度(右)。

B. 电气性能

图4显示了所制备二极管的1/C²-V特性。由于n-DPD AlGaN层的均匀掺杂，所制备的二极管呈现出近似线性的特性。线性外推提取的内置电位(Vbi)为7.6 V，接近根据Al(Ga)N禁带宽度计算的AlN基p-n二极管的预期值（约6V）。图5显示了从C-V特性中提取的n-DPD AlGaN层中的净电荷浓度(N)。N的平均值为2.3×10¹⁷ cm⁻³，与图3(b)考虑x的深度剖面计算得到的N⁺_DPDN⁻_DPD/(N⁺_DPD+N⁻_DPD)为2.3×10¹⁷ cm⁻³的期望值非常吻合。虽然由于n⁺-AlGaN:Si接触层的高扩展电阻引起电压下降从而可能导致V_bi和空乏区宽度(w)的高估，但C-V测量从电学性能的角度证明了该器件实现了设计的结构（掺杂谱）。

图4：测得的所制备二极管的1/C²-V特性。测量的交流频率设定为100 kHz。

图5：从C-V特性中提取的n-DPD AlGaN层中净电荷浓度(N)的深度剖面图。

图6显示了在RT条件下测量的所制造二极管的正向偏压J-V特性。该器件的导通电压(V_th)为6.5 V，最小差分比导通电阻(r)为3 mΩ cm²，这是迄今为止报道的基于AlN的p-n二极管中最小的。请注意，在计算比导通电阻时，整个网格被视为有源区。由于n⁺-AlGaN:Si接触层的准垂直结构和高扩展电阻，“实际”有源区域从阳极电极边缘延伸到内部仅几十微米，因此实际比导通电阻预计将进一步降低。

此外，在导通条件下观察到电致发光(EL)。图7显示了从衬底背面拍摄的所制备的二极管的电致发光光谱。电致发光的发射随电流增加而增加，表明电子和空穴作为典型的p-n结都有助于导电。能量大于5.13eV的光子被吸收在光程带隙最小的n⁺-Al_0.7Ga_0.3N层中。此外，在室温至573 K温度范围内，研究了二极管的温度依赖性J-V特性，如图8所示。正向的J-V特征呈指数关系，随着温度的升高，V_th有减小的趋势。在典型的p-n结中，正向偏置载流子输运性质由重组-扩散电流模型描述。实验值与该模型的吻合程度可通过理想因子进行讨论，理想因子定义为：

这里kB是玻尔兹曼常数，T是温度。与温度相关的n值绘制在图9中。在RT下最小n值为1.8，在任何温度下都保持在2.0左右，这表明正向偏压J-V特性可以用重组电流模型来描述。结果表明，所制备的二极管是“真正的”PND，而非偶然呈现出合理的理想因子。

图6：所制备的二极管在RT时的正向偏压J-V特性。右轴上还绘制了比导通电阻(r)。ϕ表示器件直径。

图7：在各种正向偏压条件下制备的二极管的EL光谱。插图显示了测量的鸟瞰图。能量高于5.13 eV的光子被n⁺-Al_0.7Ga_0.3N:Si层吸收，该层在整个光路中的带隙最小。

图8：所制备的二极管随温度变化的正向偏压J-V特性。温度设定为RT和323-573 K，每50 K为一档。

图9：从正向偏压J-V特性中提取的温度相关理想因子。

图10（a）显示了所制造二极管的反向偏压J-V特性。该器件在-283 V处出现破坏性击穿，没有出现均匀的雪崩击穿。根据p型和n型层的电场分布，计算出了相应的平行面击穿电场。在双面耗尽型p-n二极管中，击穿电场(E_B)可表示为：

其中，VB是击穿电压，tp和tn分别是p型层和n型层的厚度，ϵ_s是半导体的介电常数。根据SIMS的结果，tp=70 nm，tn=380 nm，N-DPD=1.8×10¹⁸ cm^-3，N+DPD=2.6×10¹⁷ cm^-3，我们计算出EB为7.3 MV/cm。值得强调的是，通过SIMS测量确定的p⁺-DPD AlGaN和 n-DPD AlGaN层的厚度和掺杂浓度（即用于计算E_B的值）与TEM和C-V测量确定的值一致。E_B值约为相同掺杂浓度（N=2.6×10¹⁷ cm^-3）下GaN极限值的两倍，但由于缺乏适当的边缘终端结构，所制备的p⁺-n二极管仍未能充分展示高铝组分AlGaN的潜力。限制性能的一个因素是漏电流很大，因此我们用光发射显微镜研究了漏电流的来源。图10(b)显示的是接近击穿电压的“典型”二极管的光发射显微镜图像（与图10(a)所示的二极管不同）。在该图中，电流密度相对较高的区域以暖色调显示，而电流密度较低的区域则以冷色调显示（或未涂色）。我们发现漏电流的流动并不均匀，而是集中在几个特定的点上。在氮化镓p-n二极管的情况中，用同样的方法观察到的点状漏电流的起源据说是（穿线）位错，它主要源于衬底。然而，这一理论并不适用，因为根据基底的TDD（10³-10⁴ cm^-2）统计估算，所制备的二极管不应该包含任何位错。这意味着位错很可能是在器件制造过程中新产生的。因此，我们用TEM观察了靠近二极管网格边缘的区域。图11显示的是已制备完成的二极管的平面TEM图像。沿着介壳边缘观察到了大量的位错线，这些位错线在对比下呈现黑色。Kushimoto等人也在AlN衬底上使用DPD制作的UV-C激光二极管结构中观察到了类似的位错线。他们对器件制造过程中位错形成的原因进行了全面调查，并提出了解决这一问题的方案。由于晶格失配，在AlN衬底上赝晶生长的AlN层会承受巨大的压应力。虽然普通晶片内的应力分布是均匀的，但如果在这种晶片上形成了网格结构，就会产生剪切应力，并集中在网格角上。由于屈服强度会随着温度的升高而减小，在活化和烧结退火等高温过程中，由于剪切应力的存在，会产生新的位错。在TEM分析中观察到的位错与光发射光谱分析中发现的泄漏点在空间上一致，是潜在的“杀手”位错。因此，采用UV-C激光二极管和/或低温器件制造工艺等可减轻局部剪切应力集中的负斜面网格结构有可能抑制位错的产生，并改善反向偏压J-V特性。

图10：(a)所制备的最佳性能的二极管在RT时的反向偏压J-V特性。(b) 所制备的“典型”二极管在-257 V（接近击穿电压）的反向偏压(V_R)下的光发射显微镜图像。电流密度相对较高的区域用暖色表示，而电流密度较低的区域用冷色表示（或未涂色）。

图11：所制备二极管的平面TEM图像。暗线表示位错。插图显示的是二极管的示意图，包括用TEM分析的区域。

结论

本文研究了采取无掺杂DPD制造的AlN基垂直p-n二极管的p型和n型层，以解决AlN基材料中与杂质掺杂相关的问题。从C-V测量中提取的净电荷浓度与SIMS测量的组分梯度所预期的浓度非常吻合。正向偏置J-V特性显示出3 mΩ cm²的比导通电阻和6.5 V的导通电压，这在已报道的AlN基PND中是最小的，同时还显示出光子能量约为5.1 eV（240 nm）的EL发射。所制备的器件在室温下的理想因子也达到了创纪录的1.8，在高温下保持在2.0左右。尽管没有边缘终止结构，但记录到的击穿电场为7.3 MV/cm，是报道的GaN临界电场的两倍。利用TEM分析确定了这些器件中可能的杀手位错，而器件网格结构和/或制备工艺（而不是外延生长）的优化可能是提高器件性能的关键。这些结果表明了DPD对AlN基材料克服其技术限制的可行性，以及宽禁带半导体AlN材料在功率器件应用领域的巨大潜力。

原文源于【TechRxiv】