王翔 陳雷雷 曹艷榮 羊群思 朱培敏 楊國(guó)鋒王福學(xué) 閆大為 顧曉峰

1)(江南大學(xué)電子工程系,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,無(wú)錫 214122)2)(西安電子科技大學(xué),寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,西安 710071)(2018年4月21日收到;2018年7月2日收到修改稿)

1 引 言

GaN肖特基二極管往往存在遠(yuǎn)大于理論值的過(guò)剩泄漏電流,將嚴(yán)重降低器件的整體電學(xué)性能和可靠性[1].微觀電學(xué)和形貌測(cè)試表明,泄漏電流的產(chǎn)生與位錯(cuò)所形成的特定缺陷態(tài)直接相關(guān)[2,3].然而,由于這些電學(xué)缺陷主要位于材料內(nèi)部無(wú)法直接實(shí)驗(yàn)探測(cè),許多研究者僅將其等效為禁帶內(nèi)的連續(xù)可導(dǎo)缺陷態(tài).實(shí)際上,這種簡(jiǎn)單模型忽略了缺陷對(duì)材料電學(xué)行為的影響,不利于理解真實(shí)的電荷輸運(yùn)過(guò)程和電流退化物理本質(zhì).與此相關(guān),一些研究者對(duì)GaN肖特基二極管的反向泄漏電流的輸運(yùn)機(jī)制提出了多種物理模型[4?7].例如,Miller等[3]認(rèn)為,低溫下反向泄漏電流主要由隧穿電流占主導(dǎo),而高溫下缺陷輔助隧穿電流或者變程跳躍電流將占主導(dǎo).Zhang等[5]認(rèn)為,低溫下的反向泄漏電流主要由電子Fowler-Nordheim(FN)隧穿過(guò)程決定,而高溫下電子從表面施主態(tài)Frenkel-Poole發(fā)射至連續(xù)可導(dǎo)缺陷態(tài)過(guò)程將變得更加重要.Lei等[6]通過(guò)數(shù)值擬合證明,電子直接隧穿進(jìn)入導(dǎo)電位錯(cuò)有關(guān)的連續(xù)態(tài)可能是決定泄漏電流行為的主要過(guò)程.此外,Hashizume等[7]認(rèn)為,勢(shì)壘層表面高濃度深能級(jí)施主態(tài)(N空位)能夠?qū)е聞?shì)壘變薄和電場(chǎng)增強(qiáng),使FN隧穿過(guò)程更加容易發(fā)生.然而,該模型與N空位通常為淺能級(jí)施主的事實(shí)相沖突,且沒(méi)有考慮位錯(cuò)對(duì)泄漏電流的影響,實(shí)驗(yàn)證據(jù)不足.以上物理模型有助于理解GaN肖特基結(jié)構(gòu)泄漏電流的輸運(yùn)本質(zhì),但都沒(méi)有提出足夠清晰的可導(dǎo)位錯(cuò)電學(xué)物理模型,具體的物理過(guò)程仍未被一致認(rèn)同.

鑒于此,本文基于對(duì)GaN肖特基二極管泄漏電流輸運(yùn)機(jī)制的分析,提出一個(gè)精細(xì)可導(dǎo)位錯(cuò)的唯像電學(xué)物理模型.該模型主要強(qiáng)調(diào):1)位于位錯(cuò)中心的深能級(jí)受主態(tài)電離后具有較高的庫(kù)侖電勢(shì),基本不對(duì)漏電流有貢獻(xiàn);2)位錯(cuò)周?chē)臏\施主缺陷態(tài)電離后具有較低的庫(kù)侖勢(shì),且耗盡區(qū)變薄,可導(dǎo)致顯著的FN隧穿電流;3)并非傳統(tǒng)N空位,而是O替代N形成的淺能級(jí)施主態(tài)可能為導(dǎo)致泄漏電流的主要電學(xué)態(tài),其激活能大約為47.5 meV.

2 器件制備與測(cè)試

器件所采用的GaN外延片是利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)在自支撐GaN體襯底上的,其外延結(jié)構(gòu)包括0.5μm n+-GaN過(guò)渡層和3μm n-GaN有源層.圖1(a)所示為外延片的陰極射線(xiàn)發(fā)光圖(CL mapping),其中每一個(gè)黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)垂直線(xiàn)性位錯(cuò)(非輻射復(fù)合中心).據(jù)此,可獲得外延片的平均位錯(cuò)密度約為5×106cm?2,遠(yuǎn)低于常規(guī)藍(lán)寶石襯底GaN外延片的典型值108cm?2.圖1(b)所示為器件的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖.首先,利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和lift-off工藝定義歐姆電極形狀和尺寸;接著,利用電子束沉積Ti/Al/Ni/Au合金后在750°C的氮?dú)猸h(huán)境中快速熱退火60 s以形成歐姆接觸;然后,利用等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)在半導(dǎo)體表面生長(zhǎng)20 nm的SiO2介電層;最后,利用標(biāo)準(zhǔn)光刻和lift-off工藝定義圓形肖特基電極形狀和尺寸(直徑約為160μm),在HF和HCl的混合液中浸泡30 s后使用電子束沉積Ni/Au層形成肖特基電極.圖1(c)所示為最終制備的Ni/Au/n-GaN肖特基二極管器件的正面照片.圖2所示為器件的高頻1/C2-V曲線(xiàn),通過(guò)其斜率可知有源層內(nèi)的有效施主摻雜密度約為4×1016cm?3,通過(guò)其截距可知器件的內(nèi)建電勢(shì)和肖特基勢(shì)壘高度分別約為1.18 V和1.34 eV.

圖1 (a)同質(zhì)外延GaN CL圖;(b)Ni/Au/n-GaN肖特基二極管器件橫截面結(jié)構(gòu)示意圖;(c)器件的俯視圖Fig.1.(a)CL image of the homoepitaxial GaN wafer;(b)schematic cross-section diagram of the fabricated Ni/Au/n-GaN Schottky diode;(c)top view image of the devices.

圖2 Ni/Au/n-GaN二極管的高頻1/C2-V數(shù)據(jù)圖Fig.2.High frequency 1/C2-V data plot of Ni/Au/n-GaN diodes.

3 結(jié)果與討論

圖3(a)所示為GaN肖特基二極管的變溫電流-電壓(T-I-V)特性曲線(xiàn),測(cè)試溫度范圍為300–400 K.可以看到,在正向偏壓下,半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的電流先線(xiàn)性增長(zhǎng),然后由于串聯(lián)電阻效應(yīng)增強(qiáng)而逐漸向下彎曲.通常,肖特基二極管的T-I-V關(guān)系可由以下經(jīng)驗(yàn)公式近似描述[8]:

式中I0為反向飽和電流,可由線(xiàn)性關(guān)系外延至V=0的電流截距獲得;?B為電流勢(shì)壘高度;k為玻爾茲曼常數(shù);RS為串聯(lián)電阻;n為理想因子,可由線(xiàn)性I-V曲線(xiàn)的斜率獲得;T為溫度;q為電子電量.當(dāng)I0主要由熱電子發(fā)射(thermionic emission,TE)電流占主導(dǎo)且隧穿電流和耗盡層復(fù)合電流不重要時(shí),n接近于1.當(dāng)摻雜濃度較大或在低溫時(shí),隧穿電流將成為主要電流成分,I0和n值都會(huì)增加[9].圖3(b)所示為n和I0對(duì)T的依賴(lài)關(guān)系,可以看到,隨著T從300 K升高至400 K,n由1.78逐漸下降到1.37,而I0由1×10?11A逐漸增加至8.24×10?10A.由于I0的數(shù)值遠(yuǎn)大于理論值1×10?15A,同時(shí)考慮到空穴的勢(shì)壘高度較大(約2.12 eV),所以I0的溫度依賴(lài)特性不能使用經(jīng)典TE機(jī)制或產(chǎn)生復(fù)合機(jī)制解釋.此外,既然I0表現(xiàn)為T(mén)的強(qiáng)函數(shù),故單純的非熱隧穿機(jī)制也不適用.

圖3 (a)Ni/Au/n-GaN肖特基二極管的典型變溫I-V特性曲線(xiàn);(b)n和I0對(duì)T的依賴(lài)關(guān)系Fig.3.(a)Typical T-I-V curves of Ni/Au/n-GaN Schottky diodes;(b)n and I0as a function of the temperature.

線(xiàn)性位錯(cuò)(尤其是螺旋位錯(cuò))被普遍認(rèn)為是引起較大泄漏電導(dǎo)的主要原因,那么相關(guān)的電學(xué)缺陷必須是施主型,因?yàn)槭┲鲬B(tài)電離后才能夠?qū)е螺^低的勢(shì)壘,并為電子的傳導(dǎo)提供空態(tài).此觀點(diǎn)與Look等[10]的結(jié)論一致.在此背景下,(1a)式的形式可重寫(xiě)為

式中m?～0.2m0是電子在GaN中的有效質(zhì)量;?為約化普朗克常數(shù);NT為電離的凈施主態(tài)密度,可由線(xiàn)性關(guān)系的斜率獲得.(2)式表明,可以通過(guò)電流斜率獲得NT的數(shù)值.

圖4(a)所示為NT對(duì)1/T的依賴(lài)關(guān)系. 可以看出,隨著T從300 K升高至400 K,NT從4.1×1018cm?3增加至6.9×1018cm?3,其對(duì)應(yīng)的激活能約為47.5 meV.由于NT的數(shù)值遠(yuǎn)大于材料的背景濃度(4×1016cm?3),表明在施主態(tài)位置形成了薄表面勢(shì)壘區(qū).同時(shí),根據(jù)(1b)式可以獲得?B值約為1.1 eV,如圖4(b)所示.該值比電容法獲得的勢(shì)壘高度低0.21 eV,表明肖特基界面的勢(shì)壘和電導(dǎo)分布并不均勻.因此,我們認(rèn)為正向低偏壓區(qū)的泄漏電流應(yīng)主要為高密度施主態(tài)所導(dǎo)致的局域隧穿電流(n＞1).

在反向偏壓下,耗盡層內(nèi)電場(chǎng)將變得更強(qiáng),使表面勢(shì)壘更薄而形成三角形勢(shì)壘.此時(shí),金屬電子將具有很大概率隧穿到半導(dǎo)體內(nèi)部,形成FN隧穿電流[11],有

圖4 Ni/Au/n-GaN肖特基二極管的(a)施主態(tài)密度和(b)反向飽和電流的Arrhenius數(shù)據(jù)圖Fig.4.Arrhenius plots of(a)the net density of the donor-like impurities and(b)the saturation current in Ni/Au/n-GaN Schottky diodes.

式中A為有效隧穿面積,?為有效隧穿勢(shì)壘高度,E為最大電場(chǎng)強(qiáng)度.重寫(xiě)(3)式得.

(4)式表明,當(dāng)FN隧穿電流占主導(dǎo)時(shí),實(shí)驗(yàn)ln(I/E2)-1/E數(shù)據(jù)應(yīng)滿(mǎn)足線(xiàn)性依賴(lài)關(guān)系[12],且斜率為T(mén)的弱函數(shù).圖5(a)所示為由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的ln(I/E2)-1/E數(shù)據(jù),結(jié)果與(4)式的形式完全一致,證明反向泄漏電流應(yīng)主要為FN隧穿電流.與Hashizume等[7]的假設(shè)一致,為了得到一個(gè)理想的擬合結(jié)果,施主態(tài)分布必須具有指數(shù)衰減的形式,其特征長(zhǎng)度約為4 nm,如圖5(b)所示.通過(guò)擬合數(shù)據(jù),可獲得有效隧穿勢(shì)壘高度約為0.8 eV.該值低于之前的電流勢(shì)壘高度1.1 eV,這可能是缺陷存在使局域電場(chǎng)降低所導(dǎo)致.必須指出的是,這里經(jīng)典Frenkel-Poole發(fā)射過(guò)程并不重要,因?yàn)殡娏餍甭实臏囟认禂?shù)比理想結(jié)果要大5倍.

圖5 (a)不同溫度下的ln(I/E2)-1/E數(shù)據(jù)圖;(b)施主態(tài)缺陷的空間分布Fig.5.(a)The experimental ln(I/E2)-1/E plot at different temperatures;(b)the distribution of donor-like impurity concentration as a function of the depletion depth.

N空位被認(rèn)為是GaN材料中最重要的淺能級(jí)施主態(tài).然而,我們認(rèn)為O替代N形成的ON缺陷應(yīng)是引發(fā)較大泄漏電流的主要原因,因?yàn)?1)材料生長(zhǎng)過(guò)程中,O原子傾向于向{10ˉ10}表面通過(guò)N空位進(jìn)行擴(kuò)散并在位錯(cuò)終端積累,形成高密度的ON-VGa復(fù)合物,影響位錯(cuò)的電學(xué)特性[13];2)第一性原理計(jì)算得到的O有關(guān)施主態(tài)的激活能大約為50 meV[14,15],非常接近本文得到的實(shí)驗(yàn)值47.5 meV.

較多的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Ga空位在GaN材料內(nèi)具有較低的形成能,常作為深能級(jí)受主態(tài)穩(wěn)定地存在于位錯(cuò)中心位置.不難推測(cè),這些深能級(jí)受主態(tài)能夠俘獲周?chē)┲鲬B(tài)的自由電子,抬升該處的庫(kù)侖勢(shì),同時(shí)降低周?chē)┲鲬B(tài)的電勢(shì),形成如圖6所示的能帶結(jié)構(gòu)[16?18].因此,位錯(cuò)中心主要帶負(fù)電[19],對(duì)泄漏電流應(yīng)該沒(méi)有貢獻(xiàn),而位錯(cuò)周?chē)邼舛鹊臏\能級(jí)施主態(tài)能夠形成勢(shì)壘高度較低的薄耗盡區(qū),為正電性,可以作為有效的泄漏電流隧穿通道.該位錯(cuò)電學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致[20],即泄漏電流主要發(fā)生在位錯(cuò)的周?chē)吘墔^(qū)域.根據(jù)我們所提出的模型,被降低的導(dǎo)帶應(yīng)為泄漏電子的主要輸運(yùn)通道,因?yàn)殡娮雍苋菀讖臏\能級(jí)施主態(tài)激發(fā)至遷移率更高的導(dǎo)帶.相比簡(jiǎn)單連續(xù)缺陷態(tài)物理模型,我們所提出的電學(xué)模型物理意義更加豐富,這對(duì)于研究其他GaN基器件的泄漏電流輸運(yùn)機(jī)制以及器件可靠性與失效性都具有重要意義.

圖6 GaN可導(dǎo)位錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6.Schematic bandgap diagram around the electrical dislocation site in GaN.

4 結(jié) 論

通過(guò)深入分析GaN肖特基二極管的泄漏電流輸運(yùn)機(jī)制提出了一個(gè)可導(dǎo)位錯(cuò)的電學(xué)模型,認(rèn)為位錯(cuò)中心主要為帶負(fù)電的深能級(jí)受主態(tài),對(duì)泄漏電流基本沒(méi)有貢獻(xiàn);位錯(cuò)周?chē)母邼舛葴\能級(jí)施主態(tài)則會(huì)形成局域的有效隧穿通道,決定整個(gè)器件的電流行為.因此,有效鈍化O有關(guān)的施主態(tài)(或者減小位錯(cuò)周?chē)腘缺陷空位)是有效減小此類(lèi)器件泄漏電流的有效方法之一[21].