吳月芳， 郭偉玲， 陳艷芳， 雷 亮

(北京工業(yè)大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

GaN基肖特基勢壘二極管結構優(yōu)化研究進展

吳月芳， 郭偉玲*， 陳艷芳， 雷 亮

(北京工業(yè)大學 光電子技術省部共建教育部重點實驗室， 北京 100124)

作為寬禁帶半導體器件，GaN基肖特基勢壘二極管(SBD)有耐高壓、耐高溫、導通電阻小等優(yōu)良特性，這使得它在電力電子等領域有廣泛應用。本文首先綜述了SBD發(fā)展要解決的問題；然后，介紹了GaN SBD結構、工作原理及結構優(yōu)化研究進展；接下來,總結了AlGaN/GaN SBD結構、工作原理及結構優(yōu)化研究進展，并著重從AlGaN/GaN SBD的外延片結構、肖特基電極結構以及邊緣終端結構等角度，闡述了這些結構的優(yōu)化對AlGaN/GaN SBD性能的影響；最后，對器件進一步的發(fā)展方向進行了展望。

肖特基勢壘二極管(SBD)； 外延片； 肖特基電極； 邊緣終端； 結構優(yōu)化

1 引 言

GaN作為第三代寬禁帶半導體材料，以臨界擊穿電場強、熱導率高和飽和電子漂移速度大等優(yōu)異的材料性能在下一代半導體功率器件中有著廣泛的應用[1-2]。GaN基器件具有開關頻率高、擊穿電壓高、導通電阻低、熱導率高等優(yōu)點，可以應用在復雜的工作環(huán)境中，實現更高的系統(tǒng)效率[3]。GaN基肖特基勢壘二極管(SBD)是一種重要的GaN基器件，它是多數載流子半導體器件，相比于PN結二極管，具有反向恢復時間短、開關損耗低的優(yōu)點。GaN基SBD不僅有GaN SBD，還有體材料為異質結的AlGaN/GaN SBD。1983年，Klitzing[4]發(fā)現了AlGaN/GaN異質結構中的二維電子氣(2DEG)的量子效應；1993年，Khan等[5]成功地在藍寶石襯底上外延生長出AlGaN/GaN異質結。異質結構中的壓電極化效應和自發(fā)極化效應[6]可以產生高濃度和高電子遷移率的(2DEG)，因而一些AlGaN/GaN SBD、HEMT、MIS-HEMT等器件成為研究熱點。

2 肖特基勢壘二極管器件的發(fā)展需要解決的問題

肖特基二極管是通過金屬與半導體之間形成金-半接觸，分別形成肖特基陽極與歐姆陰極，實現器件的單向導電性。根據器件材料不同可分為Si基SBD、GaN基SBD以及SiC基SBD。肖特基勢壘二極管與傳統(tǒng)的PN結二極管不同，由多數載流子導電，所以它具有以下優(yōu)良特性：高的工作頻率和開關速度、大的飽和電流、低的正向壓降等。圖1[7]給出了不同材料器件的理論與實際性能參數。由圖可以看出，GaN基器件的實際性能與理論值還有很大差距。本文重點總結了GaN基SBD結構的優(yōu)化對于器件性能的影響。

圖1 基于不同材料的器件的實際參數值與理論極限值

Fig.1 Actual parameter values and theoretical limits of the devices based on different materials

2.1 邊緣電場集中效應

現有的GaN基肖特基勢壘二極管的擊穿電壓一般只能達到理論值的50%左右，要想使器件發(fā)揮更大的作用，就要致力于提高器件的擊穿電壓。除了材料本身的特性對器件擊穿電壓的影響，邊緣電場集中效應[8]對器件的擊穿電壓也有很重要的影響。邊緣電場集中效應是指器件在反向偏壓時，耗盡層中的電場在水平方向的分布并不均勻，在越靠近電源邊緣的位置，電力線的分布越密集，雪崩擊穿就會在該處提早出現，降低了器件的耐壓值。減弱邊緣電場集中效應的方法有設置場板[9]、P+型保護環(huán)[10]以及懸浮金屬環(huán)[11]等。

2.2 缺陷效應

由于目前的GaN基器件基本上是在異質襯底上生長的，所以GaN材料與襯底存在較大的晶格失配， GaN外延層的缺陷密度遠高于Si和GaAs[12-13]。實驗表明，GaN中的大部分缺陷為主要漏電通道。所以，高密度缺陷的存在使得外延片的質量變低，器件的泄露電流增大，器件的性能下降[14]?？梢酝ㄟ^插入緩沖層、增加蓋帽層、鈍化等方法優(yōu)化外延片的質量，降低外延片的缺陷密度，從而提高器件的性能。

2.3 襯底材料的選擇

目前GaN基器件常用的襯底主要是藍寶石和SiC。器件在應用過程中都需要很好的散熱，藍寶石襯底的熱導率比較低，散熱效果不好；SiC襯底的散熱效果好，但是成本太高。因此，如何制作符合散熱要求并且價格便宜的Si襯底或者是尋找新型符合要求的襯底材料成為需要繼續(xù)研究的問題。

3 GaN SBD

3.1 器件結構與工作原理

傳統(tǒng)的GaN SBD器件結構一般為垂直結構，如圖2所示。器件結構由下到上依次是：歐姆接觸陰極、n+GaN層、n-GaN層以及肖特基接觸陽極。

圖2 垂直GaN SBD器件結構圖

GaN SBD的基本工作原理如下：陽極金屬與半導體接觸時形成肖特基接觸，實現GaN SBD的單向導電。該結構的肖特基接觸與歐姆接觸是通過材料的摻雜濃度來實現的，與歐姆電極接觸的GaN為重摻雜。正向偏壓時，勢壘高度變低，電子容易從半導體流向金屬，形成從金屬到半導體的電流；反向偏壓時，勢壘高度增大，電子很難通過高勢壘，從而達到反向截止的目的，便實現了器件的單向導電性。

3.2 結構優(yōu)化進展

在制作GaN SBD時，由于GaN材料與襯底材料之間的晶格失配和熱膨脹系數的不同，生長的GaN外延層有較高的缺陷密度和較差的表面形貌，外延片質量降低，器件的泄漏電流增加。1986年，Amano等[15]用MOCVD成功地外延出表面光滑無裂紋的GaN單晶層，引發(fā)了GaN材料的研究熱潮。1999年，Bandic等[16]研究了SiO2鈍化和場板結構對器件性能的影響，實現了擊穿電壓為250～450 V、漏電流為10-5A/cm2的GaN SBD。從此以后，對于GaN SBD的研究更加深入。接下來，我們重點從終端方面介紹GaN SBD的研究進展。

Johnson等[17]研究了帶有P+保護環(huán)結構的GaN SBD作為整流二極管的結構，如圖3所示。垂直結構的GaN SBD整流二極管的擊穿電壓為250 V，當開啟電壓為1.8 V時，導通電阻為1.7～3.0 mΩ·cm2。采用反向恢復電流暫態(tài)波形分析，結果表明空穴壽命水平為15 ns，GaN整流器在正向電流密度和開啟電阻方面與之前的器件對比有明顯的改善。

圖3 帶有P+型保護環(huán)的垂直GaN SBD結構圖

Fig.3 Vertical GaN SBD structure with P+type protection ring

文獻[18]介紹了一種帶有懸浮金屬環(huán)的垂直結構GaN SBD，如圖4所示。帶有懸浮金屬環(huán)的器件擊穿電壓為353 V且有非常快的反向恢復時間28 ns，無懸浮金屬環(huán)GaN SBD的擊穿電壓為159 V。兩者對比發(fā)現，帶有懸浮金屬環(huán)的器件性能有很大的改善，因為懸浮金屬環(huán)的存在緩解了肖特基陽極邊緣電場的集中強度，使器件的擊穿電壓有所提高。

圖4 帶有懸浮金屬環(huán)的垂直GaN SBD截面結構圖

Fig.4 Vertical GaN SBD section structure with suspended metal ring

2013年，Lei等[19]仿真設計了有場板結構的垂直GaN SBD，介質材料分別采用SiO2與Si3N4，結構如圖5所示。對于介質為SiO2的器件，在ND=1016cm-3、介質厚度為0.1 μm、場板長度為2 μm時，器件擊穿電壓達到494 V；對于介質為Si3N4的器件，在ND=1016cm-3、介質厚度為0.2 μm、場板長度為2 μm時，器件擊穿電壓達到570 V。

圖5 帶有場板結構的GaN SBD結構圖

2016年，Kone等[20]制備了有無保護環(huán)的兩種準垂直結構GaN SBD，如圖6所示。C-V與I-V測試結果表明，保護環(huán)可以減小器件的反向泄漏電流，器件的反向擊穿電壓由300 V以下上升到400 V左右。他們采用深能級瞬態(tài)譜對GaN SBD中高電阻邊緣終端保護環(huán)引入的缺陷進行了分析。在離子注入形成終端結構的同時，已有的缺陷能級被加強并且引入了新的深缺陷能級，所以要注意離子注入的條件以及后續(xù)退火條件的研究。

圖6 GaN SBD器件結構圖

4 AlGaN/GaN異質結 SBD

4.1 器件結構與工作原理

傳統(tǒng)的AlGaN/GaN SBD器件結構如圖7所示，從下到上依次為襯底(藍寶石或者SiC)、GaN緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層以及肖特基電極和歐姆電極。

圖7 傳統(tǒng)AlGaN/GaN SBD器件結構圖

圖8所示為金-半肖特基接觸能帶隨偏壓的變化。從圖中可以看出，在正向偏壓時，勢壘有所下降。當勢壘降低到一定程度時，電子可以從半導體運動到金屬。外加偏壓越大，勢壘降低越多，正向電流就越大，即更多的電子通過陰極進入到2DEG溝道，再經過肖特基勢壘流出。在反向偏壓時，勢壘高度擴展耗盡結下方的2DEG，阻斷電子的流通溝道。

圖8 金屬與AlGaN/GaN結構在零偏(a)、正偏(b)和反偏(c)時的能帶圖。

Fig.8 Energy band diagram of metal and AlGaN/GaN structure under zero bias(a), positive bias(b), and negative bias(c), respectively.

4.2 外延結構對于器件性能的優(yōu)化

4.2.1 緩沖層對器件性能的影響

2006年，Yoshida等[21]通過改善外延片材料質量，制備出擊穿電壓超過1 000 V的Si襯底AlGaN/GaN SBD。2007年，Miyoshi、Kuraoka等[22]研究了含有AlN緩沖層與不含AlN緩沖層的AlGaN/GaN SBD的性能。含有AlN緩沖層的器件的反向泄漏電流降低了兩個數量級,反向擊穿電壓明顯升高。這是因為加入了AlN緩沖層后，器件外延片質量有所提高，使器件的反向泄漏電流下降，擊穿電壓上升。

2011年，Lee等[23]研究了一種高性能的AlGaN/AlN緩沖層的AlGaN/GaN SBD，結構如圖9所示。在陰陽極間距為30 μm時，器件的擊穿電壓達到3 489 V，反向電壓為-2 000 V，泄漏電流為0.2 μA，導通電阻為7.9 mΩ·cm2，開關特性得到優(yōu)化，反向恢復時間為17 ns。

圖9 AlGaN/AlN 緩沖層的SBD結構圖

2014年，Wen等[24]提出了AlGaN/GaN復合緩沖層結構，如圖10所示。采用AlGaN/GaN復合緩沖層可以降低表面粗糙度散射和合金無序散射，增加外延片的質量，提高二維電子氣的遷移率，從而提高器件的電學特性。

圖10 復合緩沖層結構示意圖Fig.10 Schematic diagram of composite buffer layer structure

4.2.2 蓋帽層對器件性能的影響

2008年，NJR公司的Kamada[25]采用低溫淀積GaN保護層的方法，降低了AlGaN/GaN肖特基勢壘二極管的表面漏電流，實現了耐壓達到1 000 V的Si襯底AlGaN/GaN SBD。

2012年，Jae-Hoon等[26]研究了帶有SiCN蓋帽層的AlGaN/GaN SBD，如圖11。由于SiCN蓋帽層的引入，器件的性能與傳統(tǒng)器件相比有明顯的提高，開啟電壓為0.7 V，當電壓為1.5 V時電流為4.1 A,反向擊穿電壓為630 V。SiCN蓋帽層的引入對器件表面進行了有效的鈍化，使外延片擁有更好的表面形貌。

2015年，Kang等[27]對有無GaN蓋帽層的AlGaN/GaN SBD(圖12)進行了研究。實驗結果表明，GaN蓋帽層的引入不僅可以有效地減小反向泄漏電流，抑制正向電流的衰退，而且還降低了AlGaN勢壘層的電場分布密度，尤其是肖特基電極邊緣的電場分布密度，提高了器件的擊穿電壓。

圖11 含有SiCN蓋帽層的AlGaN/GaN SBD器件結構圖

Fig.11 Structure of AlGaN/GaN SBD device with SiCN cap layer

圖12 含有GaN蓋帽層的AlGaN/AlN SBD器件結構圖

Fig.12 Structure of AlGaN/AlN SBD device with GaN cap layer

4.2.3 AlN/GaN和AlGaN/GaN不同外延片結構對于器件性能的影響

2014年，Feng等[28]研究了AlN/GaN和AlGaN/GaN不同外延片上采用相同工藝制作的SBD。通過電學特性對比發(fā)現，AlN/GaN SBD勢壘高度大，但是擊穿電壓低、泄漏電流大。這是因為AlN/GaN外延片大的晶格失配導致的位錯密度比較大，導致器件出現大的漏電流和低的擊穿電壓。

綜上所述，制作器件時所選外延片的質量好壞對器件性能有很重要的影響。因此，對外延片結構進行適當的改進，減小外延片的晶格失配密度與位錯密度，提高外延片的質量對器件性能有很大的改善。

4．3 肖特基電極結構對器件性能的優(yōu)化

在傳統(tǒng)SBD結構中，肖特基接觸一般是由高功函數金屬與勢壘層接觸形成，從而實現器件的單向導電性。肖特基接觸作為制作SBD工藝流程中最關鍵的工藝步驟直接影響到器件的性能，因此，對于肖特基電極的研究至關重要。這里介紹幾種優(yōu)化的肖特基電極結構及其對SBD器件性能的影響。

4.3.1 雙金屬陽極結構

2005年和2006年，Yoshida等[21,29]就提出了場效應肖特基勢壘二極管(FESBD)，結構如圖13所示。肖特基電極由傳統(tǒng)的高功函數金屬改為高功函數金屬與低功函數金屬結合組成，低功函數金屬有利于降低器件的開啟電壓，高功函數金屬有利于減小器件的漏電流。正偏時，電流主要從低功函數金屬通過，可以降低開啟電壓；反偏時，高功函數金屬耗盡下方二維電子氣，從而減小器件漏電流。

圖13 FESBD器件結構圖

4.3.2 混合陽極結構

2008年，Takatani等[30]提出了混合陽極二極管(SOCFED)，結構如圖14所示。該結構的陽極由肖特基電極和歐姆電極組成，并且在肖特基接觸下方利用RIE系統(tǒng)選擇性注入氟離子體實現反向阻斷。

圖14 混合陽極SBD器件結構圖

2011年，Park等[31]改進了FESBD器件結構，如圖15所示。該器件的開啟電壓從1.5 V減小到1 V，導通電阻也隨之減小了一半。

圖15 改進的混合陽極SDB結構圖

4.3.3 凹槽肖特基電極結構

2012年，Bahat-Treide等[32]研究了凹槽式肖特基電極結構，如圖16所示，通過減薄勢壘層厚度，使肖特基接觸更加接近二維電子氣溝道，器件的開啟電壓由1.47 V降低至0.43 V，且擊穿電壓為1 000 V。

圖16 凹槽陽極結構的AlGaN/GaN SBD結構

Fig.16 Schematic sketch of the fully recessed Schottky barrier diode with slanted field plate lateral geometry

2015年，清華大學科研團隊[33]研究了凹槽陽極、陽極刻蝕區(qū)粗糙度對器件的影響，通過優(yōu)化刻蝕條件，使漏電流減小、擊穿電壓升高，實現了0.73 V的開啟電壓，且采用場板結構使擊穿電壓達到2 070 V。

4.3.4 含有介質層的肖特基電極結構

2013年, Lenci等[34]提出了一種無金的柵邊緣終端SBD器件結構(GET-SBD)。陽極結構由不含金屬的20 nm TiN/20 nm Ti/250 nm Al/20 nm Ti/60 nm TiN 組成，并且采用了柵極邊緣終端結構，如圖17所示。這種結構有效地減小了反向泄漏電流，在電壓為-600 V時，漏電流密度為1 μA/mm。

圖17 新型柵邊緣終端SBD器件結構

Fig.17 Structure of a new type of gate edge terminal SBD device

4.3.5 混合陽極與凹槽相互結合肖特基結構

2015年，Lee等[35]提出了一種肖特基陽極結構，如圖18所示，在混合陽極結構的基礎上，減小肖特基接觸下的勢壘層厚度，有效地解決了漏電流大的問題。該器件開啟電壓達到了0.34 V，擊穿電壓達到802 V，反向泄漏電流在電壓-15 V時為1.82 μA/mm。

圖18 混合陽極與凹槽結構SBD結構圖

綜上所述，對于器件肖特基結構的優(yōu)化改進，可以起到優(yōu)化器件的開啟電壓、擊穿電壓、反向漏電流的作用，可見肖特基電極的結構對于器件性能的優(yōu)化有很重要的影響。

4.4 終端結構對于器件性能的影響

SBD的擊穿電壓是SBD應用的一個軟肋，如何提高SBD的擊穿電壓，一直是人們努力的方向。為此人們提出了多種提高器件擊穿電壓的終端結構，如場板、P+型保護環(huán)、懸浮金屬環(huán)等。

4.4.1 場板結構

場板結構的原理是使陽極附近的電場隨著場板擴展，降低耗盡層的曲率，使肖特基陽極附近的電場強度減小，提高器件的擊穿電壓，達到優(yōu)化器件的反向擊穿性能的目的。

Yoshida等[36]研究了一種帶有場板結構的高擊穿電壓肖特基勢壘二極管，采用了場板和鈍化層結構，如圖19所示。器件的擊穿電壓在陰陽間距為20 μm時，達到了1 000 V左右，其漏電流低于1.5E-6 A/mm。

圖19 含有場板的橫向SBD結構示意圖

Fig.19 Schematic diagram of transverse SBD structure with field plate

2015年，Zhu等[37]提出了具有凹槽陽極和雙場板結構的橫向AlGaN/GaN SBD，如圖20所示。該結構利用凹槽陽極來降低開啟電壓，利用雙場板來提高擊穿電壓。陰陽極間距為25 μm時，開啟電壓小于0.7 V，反向擊穿電壓為1.93 kV，實現了AlGaN/GaN SBD低開啟電壓和高擊穿電壓的性能。

圖20 凹槽和雙場板結合的SBD結構圖

Fig.20 SBD structure of anode with groove and double field plate

4.4.2 P+型保護環(huán)

傳統(tǒng)P+型保護環(huán)結構如圖21所示。

利用P+型保護環(huán)來提高SBD的反向擊穿電壓，這種工藝是首先采用局部氧化的方法，在肖特基邊緣形成一層二氧化硅，然后擴散一層P+型的保護環(huán)結構。這種機構的作用類似于場板結構，都是通過減小接觸電極的電場強度，以此來提高SBD的反向擊穿性能。這種P+型保護環(huán)的終端結構大多應用于垂直結構的GaN SBD，在上文已有所介紹，這里就不做過多闡述。

圖21 含有P+型保護環(huán)的SBD結構

4.4.3 懸浮金屬環(huán)

Lee等[38]提出了一種采用懸浮金屬環(huán)的AlGaN/GaN SBD結構，如圖22所示。該器件在陽極和FMR之間的距離Rs=5 μm，并且含有3個FMR時，擊穿電壓達到了930 V。實驗表明擊穿電壓隨著Rs的增加先增大后減小。這是因為耗盡區(qū)隨著FMR擴展，電場分布在更廣闊的區(qū)域并且擊穿電壓會有所上升；然而，當Rs超過一定數值后，擊穿發(fā)生在達到FMR之前，擊穿電壓又會有所下降。實驗還發(fā)現隨著FMR數量的增加，擊穿電壓也有所增加，因為耗盡區(qū)擴展到更廣泛的區(qū)域。

圖22 帶有懸浮金屬環(huán)的SBD結構圖

Lee等[11]制備研究了SBD器件，結構如圖23所示。該結構采用懸浮金屬環(huán)終端，并且氧化陽極金屬Ni為NiO。在氧化時間達到5 min時，泄漏電流達到1 nA,擊穿電壓達到750 V并且表現出很快的反向恢復特性。

5 總結與展望

GaN材料作為第三代寬禁帶半導體材料，由于其耐高壓、耐高溫、抗輻射、電子遷移率高等優(yōu)點，應用前景十分廣泛。在低壓高速應用領域，要求器件的導通電阻小、反向恢復時間短，可以通過增加緩沖層、使用雙金屬陽極或者凹槽結構來優(yōu)化器件性能；在高壓大功率領域，要求器件的擊穿電壓大、正向電流大，可以通過增加緩沖層、使用各種終端結構等來優(yōu)化器件性能。GaN基SBD器件已經取得不小的進步，但是仍然存在著不少問題：泄漏電流問題還沒有得到完全解決，擊穿電壓和截止頻率還有待提高，材料成本仍然是個問題。所以，人們需要在以下幾個方面繼續(xù)取得突破性進展：(1)進一步優(yōu)化材料生長的各個條件，提高外延片的質量；(2)繼續(xù)研究新型的緩沖層與蓋帽層結構，抑制器件的泄漏電流；(3)繼續(xù)研究新的肖特基電極結構，提高器件的電學特性；(4)研究新型的終端結構，改善器件性能；(5)兼顧器件各個結構之間的相互結合，促進器件各個方面性能的提高；(6)對在Si襯底上生長進行進一步的探索，降低器件的制作成本，使制造技術融入到傳統(tǒng)的硅工藝生產中。

GaN基SBD作為第三代半導體器件中的一員，在未來各個領域的實際應用中必將有著十分廣闊的前景。國內的GaN基SBD研究應該更進一步緊跟國際先進發(fā)展水平，促進我國半導體產業(yè)的進步和發(fā)展。

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吳月芳(1993-)，女，河北廊坊人，碩士研究生，2015年于燕山大學獲得學士學位，主要從事GaN寬禁帶半導體器件的研究。

E-mail: wuyf@emails.bjut.edu.cn郭偉玲(1966-)，女，山西垣曲縣人，教授，碩士生導師，2003年于北京工業(yè)大學獲得博士學位，主要從事半導體器件可靠性和寬禁帶半導體器件的研究。

E-mail: guoweiling@bjut.edu.cn

Progress on Structure Optimization of GaN Based Schottky Diode

WU Yue-fang, GUO Wei-ling*, CHEN Yan-fang, LEI Liang

(KeyLaboratoryofOpto-electionicsTechnology,MinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:guoweiling@bjut.edu.cn

As a wide band gap semiconductor device, GaN based Schottky barrier diode (SBD) has the characteristics of high voltage, high thermostability, low conduction resistance and other excellent characteristics, which makes it widely used in the field of power electronics. This paper first summarizes the problems to be solved in the development of SBD. Then, the structure, working principle and structure optimization of GaN SBD are introduced. Next, the structure, working principle and structure optimization of AlGaN/GaN SBD are summarized, and the effects of these structures on the performance of AlGaN/GaN SBDs are discussed from the perspective of epitaxial wafer structure, Schottky electrode structure and edge termination structure of AlGaN/GaN SBD.

Schottky barrier diode(SBD)； epitaxial wafer； Schottky electrode； edge terminal； structure optimization

1000-7032(2017)04-0477-10

2016-10-28；

2016-12-24

國家高技術研究發(fā)展計劃(863) (2015AA033305)； 北京16教師隊伍建設—青年拔尖項目(市級)(PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)資助 Supported by National High Technology Research and Development Program of China (863) (2015AA033305); 16-Outstanding Young Teachers Team Construction Project of Beijing(Municipal) (PXM2016_014204_000017_00205938_FCG)

TN311.7

A

10.3788/fgxb20173804.0477