宋建軍 張龍強 陳雷 周亮 孫雷蘭軍峰 習楚浩 李家豪

1) (核電安全監(jiān)控技術與裝備國家重點實驗室, 深圳 518172)

2) (北京微電子技術研究所, 北京 100076)

3) (西安電子科技大學微電子學院, 西安 710071)

肖特基二極管是2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)的核心器件, 其性能決定了系統(tǒng)整流效率的上限.從材料設計角度出發(fā), 利用晶向優(yōu)化技術和Sn合金化技術, 提出并設計了一種大有效質量、大親和能和高電子遷移率的Ge基復合半導體.在此基礎上, 進一步利用器件仿真工具, 設定合理的器件材料物理參數(shù)與幾何結構參數(shù), 實現(xiàn)了一種2.45 G弱能量微波無線輸能用Ge基肖特基二極管.基于該器件SPICE模型的ADS整流電路仿真表明: 與傳統(tǒng)Ge肖特基二極管相比, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10— –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉換效率提升約10%.本文技術方案及相關結論, 可為解決2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率低的問題提供有益的參考.

1 引 言

隨著無線通信技術的發(fā)展, 大量無線設備(如智能手機, 家用Wi-Fi, 通信基站, 廣播電塔等)的出現(xiàn)給我們的生活帶來了極大的便利, 這些設備不間斷地發(fā)射無線電波, 它們之間通過無線電進行信息傳遞, 除此以外, 其余大部分能量都在環(huán)境中衰減浪費掉了.根據(jù)我國環(huán)境射頻能量分布評估,2.45 G 射頻信號為環(huán)境中的主要射頻(radio frequency, RF)信號源, 但測得的環(huán)境射頻功率密度較低[1,2].如果能將這部分能量利用起來, 并實現(xiàn)非接觸無線供電, 將突破傳輸線的限制, 為大量低功耗設備在無需電池供電的情況下也可運行提供一種很好的解決方案, 極具應用潛力.

微波無線能量收集系統(tǒng)(圖1(a))可通過微波接收天線捕獲環(huán)境中的射頻信號, 系統(tǒng)中的整流電路利用核心元件肖特基二極管(Schottky barrier diode, SBD)對射頻信號能量整流, 并將直流能量供應給接收負載, 是實現(xiàn)上述應用的理想系統(tǒng).然而, 在2.45 G 弱能量密度RF信號輸入條件下, 基于SBD的微波射頻無線能量收集系統(tǒng)整流效率偏低, 尚無法真正實現(xiàn)商業(yè)應用[3?5].目前, 工程師們主要開展基于Ge半導體肖特基二極管整流電路的優(yōu)化研發(fā)工作, 通過外圍電路被動開啟優(yōu)化, 以提升2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率, 但收效甚微[6?8].

圖1 (a) 微波無線能量傳輸系統(tǒng); (b) 典型肖特基二極管示意圖Fig.1.(a) Microwave wireless energy transmission system; (b) schematic diagram of a typical Schottky diode.

SBD作為2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量收集系統(tǒng)整流電路的核心器件(圖1(b)),其性能決定了系統(tǒng)整流效率的上限.因此, 欲進一步提升目前2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量收集系統(tǒng)整流效率, 對該核心元器件-肖特基二極管予以設計優(yōu)化勢在必行[9?11].有鑒于此, 我們擬提出一種2.45 G弱能量密度無線能量收集用Ge基肖特基二極管, 旨在解決2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率低的問題.

2 新型SBD層結構材料設計

對于2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量, 傳統(tǒng)SBD無法正常開啟工作.因此, 優(yōu)化設計2.45 G弱能量密度收集應用SBD必須考慮如何降低器件開啟電壓.

基于器件物理相關原理, 首先推導建立了SBD開啟電壓模型.依據(jù)文獻, SBD從半導體到金屬的電子流所形成的電流密度是

根據(jù)SBD器件金半接觸的能帶關系[13], 上式可進一步化簡為

金屬一側的勢壘高度不隨外加電壓變化, 從金屬到半導體的電子流所形成的電流密度Jm→s是一個常數(shù), 它與不加外加電壓時的Js→m大小相等, 方向相反, 則在熱電子發(fā)射理論下, SBD的總電流密度為

式中,

稱為SBD的反向飽和電流.若考慮鏡像力和隧道效應對勢壘高度的影響, 則

考慮到后續(xù)Silvaco器件性能模擬軟件中仿真所得伏安特性曲線中的電流為線電流密度, 還需要將(5)式除以所設計器件長度L, 即Js=Jl/L, 進一步將其轉換為線電流密度Jl的表達式, 并最終給出器件開啟電壓與線電流密度的關系為其中所設計器件的長度L為1 μm, 其方向沿下面二維圖6中的視覺不可見坐標方向; 所設計器件寬度為14 μm, 其方向對應圖6中的橫向.

圖2 (001), (101), (111)剖面任意晶向電子電導率有效質量(極坐標系下)[14]Fig.2.(001), (101), (111) cross-section arbitrary crystal orientation electron conductivity effective mass (in polar coordinate system)[14].

綜合以上模型, 可以發(fā)現(xiàn), SBD開啟電壓與器件反向飽和電流密切相關.同等條件下, 反向飽和電流越大, SBD開啟電壓越低.反向飽和電流不僅僅與金半接觸區(qū)域半導體電子有效質量、金屬功函數(shù)有關, 還與半導體摻雜濃度和半導體的親和能有關.對于Ge SBD, 目前要想增大其反向飽和電流達到顯著降低開啟電壓的目的, 只有通過材料設計想辦法增大器件層結構材料中金半接觸區(qū)域半導體電子有效質量與親和能這條途徑, 其他的方法已無法進一步實現(xiàn)優(yōu)化.

2.1 大有效質量高遷移率設計

一方面, 我們希望增大SBD層結構材料中金半接觸區(qū)域半導體電子有效質量, 以達到降低SBD開啟電壓的目的.然而, 電子有效質量的增加會顯著降低半導體的電子遷移率, 進而導致SBD串聯(lián)電阻增大, 整流效率降低.即增大半導體電子有效質量有利于SBD在弱能量密度信號情況下開啟工作, 但低整流效率下SBD仍然無法實用.

我們知道, Ge半導體電子有效質量具有各向異性, 沿不同的晶向電子電導率有效質量數(shù)值不同.利用kp微擾理論, 圖2建立了極坐標系下(001),(101), (111)剖面任意晶向Ge電子電導率有效質量模型(建模過程詳見我們發(fā)表的文獻[14]).由圖2可見, 沿各晶面典型高對稱晶向, [100]晶向Ge電子電導率有效質量0.95m0, 數(shù)值最大.其他依次為, [111]晶向0.64m0, [ 11ˉ2] 晶向0.254m0,[1ˉ10]晶向最小, 約為0.151m0.

圖3 Sn合金化致Ge帶隙類型轉變示意圖[19]Fig.3.Schematic diagram of Ge band gap type transition caused by Sn alloying[19].

2.2 親和能設計

進一步討論Ge半導體電子親和能各向異性問題, 第一性原理仿真結果如圖4所示(詳見我們的工作[20]).結果表明, [100]晶向Ge功函數(shù)為4.604 eV, [110]晶向為4.495 eV, [111]晶向為

4.55 eV.

圖4 (100), (110), (111)晶面Ge半導體功函數(shù)[18,19]Fig.4.(100), (110), (111) crystal plane Ge semiconductor work function[18,19].

利用半導體親和能與功函數(shù)之間的關系[20],可進一步解得, [100]晶向Ge親和能為4.272 eV,[110]晶向為4.163 eV, [111]晶向為4.218 eV.與(110)高電子遷移率晶面相比, 選用(100)晶面Ge作SBD的金半接觸面, 可增大半導體親和能, 有利于進一步降低SBD開啟電壓, 這與前述為增大電子電導率有效質量而選用(100)晶面方案不產生矛盾.

3 新型SBD器件設計與結果分析

在上節(jié)材料設計的基礎上, 提出一種新型的SBD器件, 其材料物理參數(shù)與幾何結構參數(shù)如圖5(a)所示, 圖5(b)為對比器件, 即傳統(tǒng)Ge SBD器件剖面示意圖.

肖特基結采用金屬W, 歐姆結采用金屬Al,且陰極設置于在n+DR-GeSn層, 能夠避免n+DRGeSn與Si襯底之間界面差致器件性能退化的問題; 輕摻雜n–區(qū)域, 包括Ge帽層, 摻雜濃度為3 × 1017cm–3; 重摻雜n+區(qū)域摻雜濃度為1 ×1020cm–3.此外, 為降低器件工藝成本, 該器件擬在Si襯底上制備實現(xiàn).為此, 采用兩步法(低溫LT+高溫HT)工藝, 先制備高質量Ge緩沖層.然后,利用減壓化學氣相沉積(reduced pressure chemical vapour deposition, RPCVD)制備出DR-GeSn外延層.

圖6 新型SBD器件Silvaco仿真結構和網(wǎng)格設置截圖Fig.6.A screenshot of the Silvaco simulation structure and grid settings of the new SBD device.

圖6 為Silvaco軟件器件仿真結構和網(wǎng)格設置圖, 這里要補充說明兩點: 1) 考慮器件軟件仿真收斂效率, 仿真結構中去掉了Si襯底和Ge緩沖層,但不會影響仿真結果; 2) 網(wǎng)格設置過程中, Ge帽層與n–GeSn層之間、n–GeSn層與n+ GeSn層之間網(wǎng)格相對于其他區(qū)域更加密集, 以保證仿真結果收斂.

圖7 不同厚度 晶向Ge帽層新型SBD器件正向伏安特性曲線Fig.7.Forward V-J characteristic curve of new SBD device with different thickness crystal orientation Ge cap layer.

圖8 (a)和圖8(b)中Ge, GeSn和Ge_on_Ge-Sn三條曲線分別對應傳統(tǒng)Ge SBD, GeSn SBD以及帶Ge帽層新型GeSn SBD的伏安特性、電容特性器件仿真結果, 由圖8(a)可見, 相對于傳統(tǒng)Ge基SBD器件, 帶Ge帽層新型GeSn SBD開啟電壓明顯降低.同時, 器件仍然保持了優(yōu)異的整流非線性特性.

如前所述, 帶Ge帽層新型GeSn SBD低開啟電壓、非線性優(yōu)異主要源于大有效質量、大親和能、高遷移率的復合材料設計, 符合前期設計預想.電容特性方面, 由圖8(b)可見, 相對于傳統(tǒng)Ge基SBD器件, 帶Ge帽層新型GeSn SBD電容有一定程度降低, 這有利于后續(xù)對2.45 G弱能量密度RF信號整流效率的提升[21,22].依據(jù)器件物理相關知識, SBD電容與材料親和能等物理參數(shù)相關,其下降的原因也主要是因為新型復合材料的引入所致.

圖9為帶Ge帽層新型GeSn SBD的器件擊穿特性仿真結果, 由圖可見, 當所施加電壓達到約11.4 V時, 器件會發(fā)生反向擊穿, 反向飽和電流的增大導致器件更容易被擊穿, 但是擊穿電壓的變化在后續(xù)仿真中對弱能量密度區(qū)域的整流效率影響并不大.

將所設計的帶Ge帽層新型GeSn SBD、傳統(tǒng)Ge SBD以及GeSn SBD正向伏安特性曲線、反向伏安特性曲線以及在2.45 GHz頻率下的電容特性曲線帶入Cadance Model Editor軟件中, 提取器件的SPICE參數(shù)如表1所列.

將所設計的肖特基二極管SPICE參數(shù)帶入ADS仿真軟件中, 采用圖10所示仿真電路, 使用阻抗自匹配模型, 對整流電路進行優(yōu)化.

圖8 三種Ge基SBD器件伏安特性、電容特性仿真結果Fig.8.volt-ampere characteristic Capacitance-voltage characteristic simulation results of three Ge-based SBD devices.

圖9 新型Ge基SBD器件擊穿特性仿真結果Fig.9.Simulation results of the breakdown characteristics of the new Ge-based SBD device.

表1 三種Ge基SBD器件SPICE參數(shù)表Table 1.SPICE parameter table of three Ge-based SBD devices.

圖10 新型Ge基SBD器件整流測試電路Fig.10.New Ge-based SBD device rectification test circuit.

圖11 整流電路的仿真結果, 輸入能量與 (a)阻抗實部、(b)阻抗虛部、(c)整流效率以及(d)弱能量區(qū)域整流效率的關系Fig.11.Simulation results of the rectifier circuit, the relationship between the input energy and (a) the real part of the impedance(b) the imaginary part of the impedance (c) the rectification efficiency (d) the rectification efficiency in the weak energy region.

圖11 為仿真結果, 將電路匹配在–10 dBm附近, 匹配結果良好.在輸入能量為–10 dBm時, 能量轉換效率達到了35.1%; 在輸入能量為–20 dBm時, 能量轉換效率達到了7.7%.與傳統(tǒng)Ge肖特基二極管相比, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10 — –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉換效率整體提升約10%.

4 結 論

本文提出并設計了一種大有效質量、大親和能和高電子遷移率的Ge基復合半導體肖特基器件,給出了器件層結構材料物理參數(shù)和幾何結構參數(shù).Silvaco仿真結果表明: 與常規(guī)肖特基二極管相比,該器件的開啟電壓降低大約0.1 V, 零偏電容降低6 fF, 反向飽和電流也顯著提升.同時采用所設計的新型Ge基肖特基二極管作為核心整流器件進行了整流電路的仿真, 結果表明, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10 — –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉換效率提升約10%.本文有關新型Ge基復合半導體器件的研究, 可為提高弱能量密度下工作的微波無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉換效率提供有價值的參考.