行业 | 北卡罗纳州大学开发出低理想因子、创纪录电流密度AlN单晶基SBD

译自原文
High-current, high-voltage AlN Schottky barrier diodes

原文作者
C. E. Quiñones, D. Khachariya , P. Reddy, S. Mita, J. Almeter, P. Bagheri, S. Rathkanthiwar, R. Kirste S. Pavlidis , E. Kohn, R. Collazo , and Z. Sitar，Department of Materials Science and Engineering at North Carolina State University，Adroit Materials，Department of Electrical and Computer Engineering, North Carolina State University

原文链接
https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad81c9 Applied Physics Express 17, 101002 (2024)

项目支持方
美国陆军研究办公室（ARO）、美国空军科学研究办公室（AFOSR）、美国能源部高级研究项目局（ARPA-E）、美国国家科学基金会（NSF）、美国NASA空间技术研究办公室（NSTGRO）

摘要

本文报道了具有低理想因子（<1.2）、低微分导通电阻（< 0.6 mΩ cm²）、高电流密度（> 5 kA cm⁻²）以及高击穿电压（680 V）的氮化铝（AlN）肖特基势垒二极管。该器件结构由两层准垂直设计组成，包括一层轻掺杂的AlN漂移层和一层在AlN衬底上生长的高掺杂Al_0.75Ga_0.25N欧姆接触层。通过模拟、电流-电压测量和阻抗谱分析的组合，揭示了AlN/AlGaN界面由于两种材料之间的导带偏移引入了一个寄生电子势垒。在制备的二极管中发现，这个势垒限制了正向电流。此外，我们展示了在AlN和AlGaN之间引入一个组分渐变层可以减少界面势垒，并将制备出的二极管正向电流密度增加了10⁴倍。

氮化铝（AlN）具有实现击穿电压>10 kV的半导体功率器件的潜力，非常适合应用于高压直流输电和机车驱动系统。由于其高击穿场（>16 MV cm⁻¹）和高电子迁移率，AlN的Baliga优值（BFOM）比GaN或SiC高出30倍以上。基于AlN的器件，击穿电压在10 kV范围内，只需要几微米厚的漂移层。与标准硅基功率开关技术相比，这类器件在比标准硅基功率开关技术更高的频率下运行，将消除电力传输系统中笨重变压器的需求，并大幅减小其尺寸和成本。然而，这类应用要求基于AlN的器件能够在正向偏置下通过kA/cm²的电流几乎没有损失，同时在反向偏置下阻挡MV/cm量级的电场。目前的技术水平还远未达到这些应用的要求。

在AlN器件中实现更好性能的主要障碍一直是缺乏可控掺杂。在AlN中进行N型掺杂很困难，因为施主往往具有非常高的激活能（>250 meV），并且由于补偿点缺陷的形成能量低，容易被补偿。因此，已经探索了替代掺杂方案，例如在组分渐变的AlGaN薄膜中使用分布式极化掺杂。最近，这种方法已被用于证明在AlN衬底上的AlGaN p-n二极管中具有高正向电流密度。同时，通过在III族氮化物中开发点缺陷管理框架，传统的掺杂技术也取得了进步，这使得这些材料中的自我补偿效应得到了系统的抑制。使用这些方法，已经在Si掺杂的AlN中展示了可控的n型电导性，电子迁移率超过300 cm² V⁻¹ s⁻¹。

在这些研究基础上，我们最近展示了横向AlN肖特基二极管近乎理想的特性，这些特性在高达700°C的温度下依然保持稳定。此外，其他研究小组已经报道了阻断电压 > 3 kV的高压AlN肖特基势垒二极管。尽管这些极具前景的结果显示了AlN技术巨大潜力，但这些器件中的正向电流密度远没有达到实用水平。据我们所知，AlN SBD中报道的最高电流密度是由Maeda等人实现的，约为1 A cm⁻²。然而，文献中大多数关于AlN肖特基二极管的报告显示，室温下的电流密度在10⁻³ – 10⁻¹ A cm⁻²的量级。在本研究快报中，我们在AlN漂移区域实施了一个组分渐变层，使得电流密度比当前AlN肖特基势垒二极管的最高水平高出3个数量级以上。这些二极管的正向电流密度 >1 kA cm⁻²，同时阻断680V的反向电压。

为了实现所需的器件性能，形成低电阻欧姆接触至关重要。为此，我们采用了准垂直结构，其中包括一个重掺杂的AlGaN层作为接触层。可以实现与导电高Al含量Al_xGa_1−xN的低电阻欧姆接触，特定接触电阻在10⁻⁶ Ω cm²的数量级。此外，厚度 > 3 μm的高Al组分导电AlGaN外延层可以在原生AlN衬底上赝晶生长，使其成为准垂直AlN肖特基势垒二极管中电流扩散层的理想选择。然而，AlN/Al_xGa_1−xN异质结在这个界面引入了一个电子势垒，并严重限制了制备出的器件中正向电流。

为了说明AlN/AlGaN界面对器件性能的影响，我们使用Silvaco TCAD模拟了两种器件结构：一种是具有突变异质结的器件，另一种是具有梯度层异质结的器件。它们的示意横截面如图1(a)和1(b)所示。两种器件都由一个n型AlN漂移层和一个n型Al_0.75Ga_0.25N接触层组成，分别具有1 × 10¹⁸和1 × 10¹⁹ cm⁻³的[Si]掺杂浓度。模拟的异质结周围的平衡能带结构在图1(c)中为两种情况所示。Si的电离能分别取为AlN中的0.3 eV和Al_0.75Ga_0.25N中的0.07 eV。这导致AlN和AlGaN中的室温载流子浓度分别在10¹⁵和10¹⁸ cm⁻³的数量级。对于突变异质结，由于材料之间的导带偏移，在界面处存在一个尖锐的不连续性。这引入了一个电子势垒，阻止电子从AlGaN流入AlN。当肖特基势垒正向偏置时，这个电子势垒是反向偏置的，并且当肖特基势垒导通时，它作为一个非线性串联阻抗。相比之下，对于梯度层异质结器件，由于束缚极化电荷，导带被拉到接近费米能级，没有电子势垒。两种器件的模拟I-V特性如图1(c)所示。梯度层异质结二极管显示出优越的导通性能，与突变异质结二极管相比，电流密度高出约三个数量级。这项模拟结果表明，通过使用组分渐变中间层来管理AlN/AlGaN界面的能带偏移，可以实现高正向电流密度。

图1. 模拟器件的示意横截面，分别为突变异质结（a）和梯度层异质结（b），(c) 模拟能带结构的比较，(d) 模拟室温I-V特性的比较。

为了验证这一假设，生长了三种不同的肖特基势垒二极管结构：一个具有同质外延AlN接触层的对照样品，一个具有突变异质结的器件，以及一个具有梯度层异质结的器件。所有二极管的漂移层均为1 μm厚，掺杂浓度为[Si] = 1 × 10¹⁸ cm⁻³。对于对照器件，接触层由一个1 μm厚的n型AlN层组成，掺杂浓度为[Si] = 1 × 10¹⁹ cm⁻³，而异质结器件的接触层由一个2 μm厚的n型Al_0.75Ga_0.25N组成，掺杂浓度为[Si] = 1 × 10¹⁹ cm⁻³。梯度层异质结器件在接触层和漂移层之间有一个100 nm厚的组分渐变层，掺杂浓度为[Si] = 1 × 10¹⁹ cm⁻³。最终制备的器件的示意横截面如图2所示。

器件层是在c面取向的单晶AlN晶片上生长的（从HexaTech采购），在一个垂直的低压射频加热金属有机化学气相沉积反应器中进行。基底的平均位错密度为10³ cm⁻²。三甲基铝、三乙基镓、硅烷和氨分别用作Al、Ga、Si和N的前驱体。关于基底准备和随后的AlN外延的更多细节可以在其他文献中找到。漂移层通过霍尔测量确认具有2 × 10¹⁵ cm⁻³的载流子浓度、160 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率和26 Ω cm的电阻率。n型Al_0.75Ga_0.25N层具有9.8 × 10¹⁸ cm⁻³的载流子浓度、24 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率和27 mΩ cm的电阻率。霍尔效应测量使用Lakeshore 8400系列AC/DC霍尔测量系统进行，接触点采用范德堡配置。

器件的制备遵循了典型光刻工艺。首先，使用光刻和反应离子刻蚀定义了半径从25到300 μm不等的圆形台面，以暴露出下面的AlGaN接触层。刻蚀化学剂为BCl₃/Cl₂，刻蚀速率为30 nm/min。然后，通过电子束蒸发在暴露的接触层表面形成大面积（>1 cm²）的欧姆接触，金属堆栈为Cr/Ti/Al/Ti/Au（20/20/100/45/55 nm），随后在N₂气氛中950°C下退火30 s。最后，在AlN漂移层表面沉积了肖特基接触（Ni）。肖特基-欧姆接触间距为10 μm；肖特基到台面边缘5 μm，台面到欧姆接触5 μm。没有实施边缘终止以进行场管理。所有器件的制备过程都是相同的。I-V和阻抗谱测量使用Keithley 4200半导体特性分析系统进行。I-V测量是在r = 25 μm的器件上进行的，而阻抗测量是在r = 300 μm的器件上进行的。注意，欧姆接触面积远大于肖特基接触面积，因此欧姆接触电阻对总器件电阻的贡献可以忽略不计。在所有样品上，直到r = 50 μm的二极管上，I-V曲线中观察到电流随肖特基接触面积的缩放。对于r > 50 μm的二极管，在所有样品中，随着器件面积的增加，电流密度减小。

图3(a)和3(b)分别展示了在半对数和线性尺度下，三个制造的肖特基势垒二极管在室温下的电流-电压(I-V)特性。从图3(a)可以看出，所有器件显示出低理想因子⩽1.2，这表明接近理想的肖特基二极管行为。此外，器件显示出很大的整流比（I_ON/I_OFF）> 10¹¹。这些结果表明实现了高质量的肖特基接触，因此，改变底接触层的组分并没有影响肖特基接触的形成。然而，观察到欧姆接触层对输出电流有明显的影响。具有梯度层异质结的器件显示出显著高于其他两个二极管的电流：分别是突变异质结和对照器件的10³倍和10⁴倍。通过观察所有器件的微分导通电阻（R_ON）与施加偏置的关系，可以更直观地看到这一点，如图3(c)所示。梯度层异质结器件显示出最低的R_ON；导通后 < 1 mΩ cm²。这转化为电流密度在kA范围内，能够驱动到> 5 kA cm⁻²的电流密度而不失效。如图3(a)所示，其他两个器件显示出明显更高的R_ON。这些测量结果与图2(d)中模拟的I-V曲线在定性上吻合得很好。因此，与突变器件相比，梯度层异质结器件中增加的电流能力可以通过AlN/AlGaN界面处减少的寄生电子势垒来解释。对照器件中的高R_ON可以理解为底层n+-AlN接触层电流扩展电阻更高，其电阻率比n+-Al0.75Ga0.25N接触层高出10³倍。这些结果突显了实现AlN器件的一个主要挑战——为了获得高性能器件，必须解决制备对AlN低掺杂低欧姆接触电阻的挑战。

图2. 制备的AlN肖特基势垒二极管的示意横截面：(a) 对照器件，(b) 突变异质结器件，(c) 梯度层异质结器件。

图3. 在半对数尺度上比较了制备的具有不同欧姆接触层结构AlN肖特基势垒二极管的室温正向I-V特性。(b) 在线性尺度上的正向I-V比较。(c) 在半对数尺度上显示的所有器件的微分R_ON比较。

值得注意的是，对于梯度异质结器件，器件导通后的微分导通电阻R_ON并不是恒定的。实际上，在7 V正向偏置之后，观察到的R_ON降低到了AlN漂移层电阻率（2.6 Ω·cm²）所预期的值。这种观察到的R_ON降低可能是由于器件自加热导致AlN电阻率随施加电压的降低来解释。由于Si施主具有高激活能，随着器件温度升高，更多的Si将备电离。对于0.3 eV的激活能，器件温度升高50°C将导致载流子浓度增加大约一个数量级。这转化为AlN电阻率大约降低一个数量级，这正是实验观察到的（0.6对比2.6 mΩ cm²）。由于器件通过大电流密度，焦耳加热是观察到的较低特定导通电阻的可能解释。

根据图2中显示的模拟结果，当肖特基势垒正向偏置时，界面势垒应该是反向偏置的。因此，为了进一步证明AlN/AlGaN界面的寄生电子势垒，对梯度层和突变异质结器件进行了阻抗谱测量。测量是在从10 kHz到10 MHz的频率范围内进行的，施加的偏置范围从-30 V到+30 V，步长为2.5 V。相应的奈奎斯特图（Nyquist）如图4(a)和4(b)所示。在反向偏置下，两个器件的阻抗谱与单个并行RC模型一致，电容在1/C²-V图中表现出线性行为。为了说明这一点，从反向偏置阻抗测量中提取了电容，相应的1/C²-V图如图4(c)所示。可以从这个图的斜率中提取有效掺杂浓度，发现两个器件的值为N_D − N_A = 6 × 10¹⁷ cm⁻³。这个值与从温度依赖的霍尔测量中提取的AlN漂移层的值一致。在图4(c)中观察到梯度和突变异质结器件之间的电容偏移。突变器件的总电容较低，这导致提取出异常高的内建电势。这种较低的电容可以通过突变AlN/AlGaN界面的电容贡献来解释，这将串联添加到肖特基势垒中，因此减少了测量的总电容。然而，在反向偏置下，阻抗主要由肖特基势垒主导，观察到的电容调制对应于金属-半导体界面处空间电荷层的调制。

图4. 突变异质结器件（a）和梯度层异质结器件（b）正向偏置下的Nyquist图。插图显示了每个二极管的等效电路。(c) 使用从反向偏置阻抗谱测量中提取的电容，为两个器件绘制的1/C²-V图。

图5. (a) 梯度层异质结器件的反向偏置I-V特性，显示出680 V的击穿电压。(b) 同一器件的模拟电场分布，显示出最大电场为12.3 MV cm⁻¹。

另一方面，在正向偏置下，肖特基势垒降低，可以观察到来自其他元件的阻抗贡献。例如，对于突变异质结二极管，在器件导通后，阻抗谱中出现了一个第二个依赖偏置的RC元件。这对应于5–30 V的正向偏置范围，如图4(a)所示。这些结果与AlN/AlGaN界面处电子势垒的预期行为一致。因此，这个第二个RC元件可以被解释为反向偏置AlN/AlGaN结的阻抗贡献。相比之下，梯度层异质结器件没有表现出这种行为，如图4(b)所示。相反，观察到来自AlN漂移层和接触层的扩展电阻的串联电阻贡献。第二个RC元件的缺失表明，通过引入组分渐变中间层，AlN/AlGaN界面势垒显著降低或完全消除。因此，这些实验结果为AlN/AlGaN界面存在寄生电子势垒提供了进一步的证据，并支持了梯度层异质结器件中增加的电流源于该势垒的减少或消除的假设。

基于之前的分析，在反向偏置下发现寄生元素的影响可以忽略不计。因此，在这个偏置范围内可以研究AlN漂移层的特性。对于梯度层异质结二极管，它提供了一个独特的机会来研究AlN漂移层的击穿场强。该器件的反向偏置I-V特性如图5所示。如图5(a)所示，击穿电压被发现为V_BD = 680 V。这里，V_BD定义为反向偏置下电流密度达到10⁻³ A cm⁻²的电压。作为比较，使用TCAD模拟了同一器件的反向偏置I-V特性。模拟的击穿电压被发现为V_BD = 717 V，与实验值680 V非常吻合。为了估计AlN漂移层中的击穿场，图5(b)显示了在680 V反向偏置下模拟的电场分布。从图中可以看出，在实验击穿电压下的最大电场场强为12.3 MV cm⁻¹。值得强调的是，在这种器件结构中没有实施任何有意识的场管理。

总之，我们已经展示了形成低欧姆接触电阻对器件性能至关重要。具体来说，发现使用AlGaN接触层到AlN会引入一个由两种材料之间的能带偏移引起的电子势垒。这个寄生势垒被发现严重限制了制备器件中的正向电流，因为它在肖特基势垒正向偏置时变得反向偏置。通过在接触层和漂移层之间实施一个组分渐变中间层，观察到正向电流密度增加了10³倍。通过这种器件结构，展示了具有最先进性能的AlN肖特基势垒二极管，如低理想因子（1.2）、低导通电阻（R_ON < 0.6 mΩ cm²）、高电流密度（> 5 kA cm⁻²）和大的击穿电压（680 V）所证明的。