行业 | 超低理想因子、超600 V横向AlN-on-AlN肖特基二极管

译自原文
Over 600 V Lateral AlN-on-AlN Schottky Barrier Diodes with Ultra-Low Ideality Factor

原文作者
Dinusha Herath Mudiyanselage, Dawei Wang, Ziyi He, Bingcheng Da, and Houqiang Fu, Member, IEEE，the School of Electrical, Computer, and Energy Engineering, Arizona State University

原文链接

https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad5e5a, Appl. Phys. Express 17 074001

项目支持方
美国能源部能源前沿研究中心（DOE）, 美国国家自然基金(NSF)

摘要

本文报道了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在单晶AlN衬底上成功制备了横向AlN肖特基势垒二极管（SBDs），该二极管具有η=1.65的超低理想因子，击穿电压（BV）高达640V，并且按照阳极至阴极距离（LAC）归一化后的击穿电压达到了创纪录的高水平。同质外延生长的AlN外延层缺陷密度显著降低，表面形态优异，AlN欧姆接触也有所改进。在正向偏置条件下，器件展现出超低的η值1.65和高肖特基势垒高度（1.94 eV）。器件电流主要由热电子发射所主导，而大多数先前报道的AlN SBDs则受到缺陷诱导电流的影响，其η值远高于4。此外，这些器件还表现出优异的整流特性，开/关比例高达10⁷至10⁹，并且在298K至573K的温度范围内展现出卓越的热稳定性。在反向偏置条件下，器件显示出高达640 V的击穿电压，并且在横向AlN SBDs中实现了创纪录的高归一化击穿电压（BV/LAC）。这项工作代表着向高性能超宽带隙AlN基高电压和高功率器件迈出了一大步。

引言

氮化铝（AlN）作为一种超宽带隙（UWBG）半导体，近年来因其6.2 eV的超宽带隙（E_g）和12-15 MV/cm的大临界击穿场（E_c）而吸引了研究界的兴趣，特别是在下一代高压和高温电子器件领域。然而，AlN基电子器件的发展受到几个具有挑战的障碍。首先，AlN外延层的可控n型掺杂仍在开发中。硅（Si）被用作AlN中的n型掺杂剂，但其电离能高达约250 meV。在低掺杂水平下，碳杂质（C_N）和位错充当补偿剂，而在高掺杂水平下，V_Al + n_Si复合体会降低自由电子载流子浓度。因此，在Si掺杂的AlN外延层中，自由电子浓度呈现出“膝部”行为（knee behavior），最大浓度约为2×10¹⁵ cm^-3。其次，形成欧姆接触仍然具有挑战性，大多数金属与AlN表现出类似肖特基的行为。此外，实现具有理想肖特基势垒高度（𝜑_𝑏）的AlN肖特基接触很困难。最近关于AlN肖特基势垒二极管（SBDs）的研究进展显示了其在高压电子器件领域的巨大前景。然而，所有这些器件都受到高理想因子（η>4.0）的影响，表明电流传输机制偏离了众所周知的热电子发射（TE）理论。这可能有几个原因。首先，由于高𝜑_𝑏（Ni肖特基接触约为2 eV），TE电流非常低。其次，在低偏置条件下可能存在通过缺陷和位错的电流，这降低了TE电流。在高偏置下，电流传输受到AlN外延层串联电阻的限制。最近，Quiñones等人展示了具有Ni肖特基接触η =1.5–1.7的低理想因子AlN SBDs。他们利用大面积矩形欧姆接触（~ mm²）来抑制位错/缺陷引起的电流，以增强TE电流。然而，这些器件的击穿电压尚未研究，鉴于AlN单晶衬底的高成本，并且大器件面积可能会增加总器件成本。在这项工作中，我们展示了单晶AlN衬底上具有超低（η=1.65）影响因子和耐640 V击穿电压的AlN SBDs。这项工作代表了AlN电力电子技术的重大进步，并为未来高性能UWBG AlN电力电子器件的开发打开了大门。

器件制备

AlN外延层是通过金属有机化学气相沉积 （MOCVD）在单晶AlN衬底 （位错密度约10³ cm^-2）上生长的。使用三甲基铝（TMAl）和氨气（NH₃）作为前驱体，而硅烷（SiH₄）作为n型掺杂剂。生长温度和压力分别为1250°C和20 Torr，更多生长细节可参考其它文献。生长和制备的器件结构如图1(a)所示，包括一个1 μm厚的AlN层作为电阻缓冲层，一个200 nm高Si掺杂的n-AlN层，以及一个2 nm未掺杂的GaN覆盖层。n-AlN层中的Si掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3。GaN覆盖层用于防止下面的AlN外延层在暴露于空气时氧化，这可能会降低器件性能。如图1(c)-1(d)所示，通过原子力显微镜（AFM）测量的同质外延生长的AlN外延层具有平滑的表面形态，RMS粗糙度约为0.4 nm，并且通过高分辨率X射线衍射（HRXRD）测量的位错密度低至10⁴ cm^-2数量级。使用单晶AlN衬底相比在蓝宝石上的AlN外延层，将外延层的位错密度降低了三个数量级以上。

图1. (a) 制备的AlN SBD示意图。(b) 对数和线性尺度上正向电流-电压（I-V）特性。(c) 原子力显微镜（AFM）图像和(d) 单晶AlN衬底上生长的AlN外延层的(0002)摇摆曲线。

在器件制备过程中，样品首先经历了一个清洁过程，包括使用超声波辅助的丙酮、异丙醇和去离子水，以及盐酸去除表面污染物。AlN SBDs的制备采用了传统的光学光刻和剥离工艺。欧姆接触是通过电子束（e-beam）沉积Ti/Al/Ti/Au（25/100/25/50 nm）金属堆叠层形成的，随后在N₂中950°C下进行快速热退火（RTA）30秒。圆形欧姆接触的宽度为100 μm。与欧姆接触同时制备了100×200 μm矩形转移长度方法（TLM）结构来测量AlN欧姆接触行为。Ni/Au（25/125 nm）金属堆叠层通过电子束蒸发沉积作为肖特基接触。肖特基接触的直径为100 μm，阴极到阳极的距离L_AC为5 μm。器件使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的200 nm SiO₂进行钝化。最后，使用基于氟的（SF₆）反应离子刻蚀（RIE）打开接触孔。电气测量是在配备有Keithly 4200 SCS半导体分析仪和热夹头的探针台上进行的。反向I-V特性使用Keysight B1505A功率器件分析仪/曲线跟踪器测量，反向击穿测量在室温下的绝缘Fluorinert液体FC-70中进行。

结果与讨论

图1(b)展示了AlN SBD的正向I-V特性，分别在log和线性尺度上。η和𝜑_𝑏是根据方程(1)和(2)计算的，

其中𝑘、𝑇、𝑅、𝐴∗、𝐽_𝑠和𝜑_𝑏分别代表玻尔兹曼常数、绝对温度、串联电阻、理查森常数（Richardson constant）、反向饱和电流密度和肖特基势垒高度。当η偏离1时，𝜑_𝑏通常被有效肖特基势垒高度𝜑_𝑒𝑓𝑓所替代。该器件显示出超低的η=1.65和高𝜑_𝑒𝑓𝑓=1.94 eV。本工作中的η是已报道的AlN SBDs超低值之一。这表明电流传导主要是由TE引起的，缺陷引起的电流被最小化。此外，该器件的𝜑_𝑒𝑓𝑓也很高,约1.9 eV，与之前报道的主要由缺陷引起的电流传输主导的AlN高压器件的𝜑_𝑒𝑓𝑓相当。

图2. (a) 室温298 K下TLM结构的I-V特性，以及(b) 298-573 K范围内d=10 µm TLM结构的I-V特性。(c) 温度依赖的片电阻（R_s）和接触电阻（R_c），以及(d) 从TLM测量中提取的AlN薄膜电阻率（ρ）和接触电阻率（ρ_c）。

图2(a)展示了室温下AlN欧姆接触的行为。电流随TLM pad间距d的增加而减小。由于AlN的超宽带隙（UWBG）和低电子载流子浓度，AlN欧姆接触的I-V行为仍然是非线性的，这在AlN和高Al含量的AlGaN中是常见的现象。I-V测量是从298 K到573 K进行的。图2(b)展示了所有温度下d=10 µm的I-V行为，直到573 K。如图2(c)所示，计算了薄膜片电阻（Rs）和接触电阻（Rc），随后在图2(d)中提取了AlN的电阻率（ρ）和欧姆接触的接触电阻率（ρ_c）。应当注意的是，由于I-V测量的非线性特性，电阻是在特定电压或电流值下计算的。在这项工作中，我们通过在20 V时除以相应的电流来计算电阻（R=V/I）。我们观察到室温下的ρ_c降低到3.59×10^-2 Ωcm²，并且在473 K时达到最小值1.26×10^-3 Ωcm²，这与高Al含量的AlGaN相当。此外，所得到的ρ_c也低于室温及高温下蓝宝石上Si离子注入AlN的ρ_c，后者仅在1100 K时显示出最低的可比ρ_c，为4.0×10^-3 Ωcm²。

图3. (a) AlN SBDs的温度依赖性I-V特性。(b) 肖特基势垒高度（𝜑_𝑒𝑓𝑓）与理想因子（η）的关系。

图3(a)展示了AlN SBDs的温度依赖性I-V特性。随着温度从室温变化到573 K，器件显示出10⁷至10⁹的高开/关比。使用TE模型，在每个温度下计算了η和𝜑_𝑒𝑓𝑓。𝜑_𝑒𝑓𝑓从1.94 eV增加到2.41 eV，而η随着温度的升高从1.65降低到1.23，𝜑_𝑒𝑓𝑓与Ni肖特基接触的预测值吻合良好。值得注意的是，之前报道的高压AlN SBDs未能展示出接近理论值的高𝜑_𝑒𝑓𝑓，这是由于偏离了TE模型。图3(b)展示了器件𝜑_𝑒𝑓𝑓和η的温度依赖性。这种行为可以归因于金属/半导体界面的不均匀性，存在分布的高低肖特基势垒区域。这种行为在之前的报告中也很常见。随着温度的升高，电子具有足够的能量来克服较高的肖特基势垒区域，导致𝜑_𝑒𝑓𝑓的增加。

图4. (a) AlN SBD的击穿特性。插图显示了在-600 V反向偏置下器件的TCAD模拟。(b) 最先进的AlN SBDs的理想因子（η）和归一化击穿电压（BV/LAC）的基准图。

图4(a)展示了室温下AlN SBDs的反向击穿测量结果。器件显示出640 V的击穿电压值，且由于电场拥挤效应（crowding effect），击穿在器件边缘是破坏性的。TCAD模拟表明，击穿的主要原因是阳极边缘下拥挤的电场，峰值场强为4 MV/cm。有效的边缘终止和高k介电质的钝化预计将进一步改善器件的击穿特性。图4(b)展示了最先进的横向AlN SBDs的基准图，其中也包括了垂直和准垂直器件以供参考。归一化击穿电压是通过将器件击穿电压除以LAC（即BV/LAC）来计算比较的。Quiñones等人展示了一个低理想因子η，但高击穿电压并未被报道。在其他横向高压AlN SBDs中，η非常高。这项工作首次同时展示了高击穿电压和超低η。此外，这项工作中的器件在横向AlN SBDs中展示了破纪录的高归一化击穿电压，也是AlN SBDs中报道的最高归一化击穿电压之一。

对于垂直和准垂直AlN SBDs，它们的击穿电压通过漂移层厚度进行归一化。Kinoshita等人展示了一个通过去除衬底得到的具有770 V击穿电压和150 µm外延层的垂直AlN SBD。Maeda等人报道了一个使用AlGaN电流扩散层的准垂直AlN SBD，漂移层厚度为0.7µm，击穿电压约为100V。这些垂直和准垂直器件都显示出η > 5的理想因子。

结论

总之，我们成功地在单晶AlN衬底上展示了MOCVD生长的AlN SBDs，具有超低的η=1.65理想因子和640 V的击穿电压。AlN同质外延生长层显示出优异的晶体质量和表面形态，AlN欧姆接触也得到了改善。器件正向特性主要由TE模型主导，导致超低的理想因子η和高𝜑_𝑒𝑓𝑓。此外，该器件在横向AlN SBDs中展示了破纪录的高归一化BV/LAC。此外，该器件在高达573K的高温下展示了高稳定性。这项工作代表了向开发基于超宽禁带AlN基高压和高功率器件的重大技术进步。