具有低導通電阻的GaN-on-SiC肖特基勢壘二極管設計

北京工業(yè)大學和中國北京大學報道了碳化硅襯底（GaN/SiC）上由氮化鎵制成的全垂直結構肖特基勢壘二極管（SBD）的性能，通過使用超薄的氮化鎵鋁（AlGaN）緩沖層而不是更常見的復雜、厚的AlN/AlGaN結構[Yuting Sun et al，Semicond. Sci. Technol.，2024年1月24日在線發(fā)布]。該團隊評論說：“這種外延策略也可以通過在單個平臺上結合GaN和SiC的優(yōu)點來用于SiC / GaN異構集成。”

研究人員進一步實施了其它增強功能，例如在高溫退火過程中使用帽層來防止材料分解，以及用于邊緣端接的氟離子注入。垂直氮化鎵電子結構增強了處理高功率和高電壓的能力，因為峰值電場通常發(fā)生在遠離表面的地方，從而增強了抗擊穿的魯棒性，這與橫向器件不同。性能最佳的垂直器件是在獨立式或塊狀氮化鎵襯底上生產(chǎn)的，但這些襯托往往體積小且成本高昂。

碳化硅襯底制造的最新發(fā)展使Wolfspeed和Tankeblue的8英寸直徑晶圓商業(yè)化，用于大規(guī)模生產(chǎn)，提高了SiC和GaN/SiC器件成本降低的前景。碳化硅作為氮化鎵電力電子器件基礎的另一個優(yōu)勢是碳化硅的高導熱性，能夠更好地對焦耳熱效應進行熱管理。

垂直SBD的III-氮化物層（圖1）使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在n-SiC襯底上生長。在700nm n-GaN緩沖層的MOCVD之前，用三甲基鋁對基板進行預處理。

圖1：（a）全垂直結構GaN-on-SiC SBD的橫截面示意圖。（b）在GaN/SiC界面獲得的EELS曲線。（c）對稱（002）和不對稱（102）X射線衍射搖擺曲線和（d）用超薄AlGaN緩沖層生長的GaN的AFM圖像（5 μmx5 μm）。

預處理通過氮化鎵/碳化硅界面的原子間自擴散形成超薄層AlGaN。根據(jù)電子能量損失譜（EELS）測量AlGaN層的厚度為2nm。III-氮化物外延用3 μm N完成?-氮化鎵漂移層。根據(jù)原子顯微鏡（AFM），均方根粗糙度為0.22nm。

研究人員評論說：“合理的晶體質(zhì)量和表面粗糙度證明了超薄AlGaN緩沖層在適應GaN和SiC之間的不匹配方面的有效性。”

歐姆陰極觸點由退火鎳組成。研究人員使用了二氧化硅（SiO2）封蓋層，可在900C快速熱退火（RTA）過程中保持材料質(zhì)量。通過氫氟酸浸漬除去蓋子。沒有帽層，AFM表面粗糙度顯著增加，GaN原子表面臺階完全消失。相比之下，封蓋器件材料的AFM粗糙度僅略有增加。無蓋退火的表面分解導致肖特基金屬/半導體接觸質(zhì)量降低，從而降低電流-電壓行為。

研究人員報告說：“盡管退火后表面粗糙度從0.22nm增加到0.28nm，表面凹坑更多，但在改進的SBD的GaN表面上仍然清晰可見有序排列的原子步驟。這些結果表明，SiO2加蓋層可以有效保護GaN表面在RTA過程中不被分解。”

該器件通過氟離子注入用于邊緣端接，并沉積鎳/金用于肖特基陽極接觸。使用超薄AlGaN層可降低比導通電阻（R開，SP） 的SBD為1.5m-cm2，而具有50nm厚重摻雜Al0.25Ga0.75N緩沖層的參考SBD為50m-cm2。研究人員將超薄AlGaN層SBD的更好性能歸因于隧道電流的增加，而厚AlGaN緩沖層的帶偏移量要大得多，從而削弱了隧穿能力。

在器件性能方面，RTA期間的封頂將導通電阻降低了近2倍。肖特基勢壘高度為0.79eV（帶封頂）和1.02eV（不帶封頂）。此外，RTA期間的上限將理想因子從1.22降低到1.08（理想因子=1）。此外，相應的開/關電流比為8.5x106和5x109，改進了近三個數(shù)量級（28dB）。

RTA期間加帽的改進SBD的導通電阻為0.85m -cm2，該團隊將其描述為“在通過復雜制造工藝制造的異質(zhì)襯底上的垂直氮化鎵二極管中相對較小的價值”。

3V偏置時的正向電流密度達到1.8kA/cm2。該團隊評論說：“正向I-V特性的優(yōu)越性表明，超薄AlGaN緩沖層在SiC襯底上實現(xiàn)了基于簡化外延堆棧的低RON，sp和穩(wěn)定電導率的全垂直GaN SBD?！?/p>

在25-120°C范圍內(nèi)增加器件溫度的效果發(fā)現(xiàn)Ron的緩慢斜坡上升，SP的0.00345m-cm2/C。導通電壓同時受到0.0016V/C緩慢下降速率的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，氟離子端接（FIT）的效果是反向擊穿電壓（BV，1A/cm2）從108V增加到214V（圖2）。

圖2：（a）無FIT和邊緣FIT的改進SBD的反向電流-電壓特性。（b）RON，sp與BV在異質(zhì)襯底上完全垂直或準垂直GaN SBD的基準。

研究人員報告說：“對于具有相同漂移層的器件（在摻雜濃度為1.5x1017/cm3時厚度為3μm）的器件，理論BV為221V)。測得的BV略低，為214V，表明漂移層的晶體質(zhì)量良好，并且該工作的邊緣端接有效。

與異質(zhì)（即非GaN）襯底上SBD的其它報道相比，其低電阻表明“外延堆棧具有良好的導電性”。該團隊補充說：“通過降低n型摻雜濃度可以實現(xiàn)更高的BV?！?。其它報告中的漂移層的摻雜濃度通常低十倍。

轉(zhuǎn)載：星辰工業(yè)電子簡訊

審核編輯：劉清