汪海波 萬麗娟 樊敏 楊金 魯世斌 張忠祥

1)(合肥師范學(xué)院電子信息與電氣工程系,合肥 230601)

2)(電子信息系統(tǒng)仿真與設(shè)計安徽省重點實驗室,合肥 230601)

氧化鎵作為新一代寬禁帶材料,其器件具有優(yōu)越的性能.本文仿真研究了n+高濃度外延薄層對氧化鎵肖特基二極管的勢壘調(diào)控.模擬結(jié)果顯示,當(dāng)n型氧化鎵外延厚度為5 nm、摻雜濃度為2.6×1018 cm—3 時,肖特基二極管縱向電流密度高達(dá)496.88 A/cm2、反向擊穿電壓為182.30 V、導(dǎo)通電阻為0.27 mΩ·cm2,品質(zhì)因子可達(dá)123.09 MW/cm2.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)肖特基二極管的性能與n+外延層厚度和濃度有關(guān),其電流密度隨n+外延層的厚度和濃度的增大而增大.分析表明,n+外延層對勢壘的調(diào)控在于鏡像力、串聯(lián)電阻及隧穿效應(yīng)綜合影響,其中鏡像力和串聯(lián)電阻對勢壘的降低作用較小,而高電場下隧穿效應(yīng)變得十分顯著,使得熱發(fā)射電流增大的同時,隧穿電流得到大幅度提升,從而進(jìn)一步提升了氧化鎵肖特基二極管的性能.

1 引言

高效半導(dǎo)體功率開關(guān)器件直接促進(jìn)世界范圍的節(jié)能減排而受到強(qiáng)烈需求[1].在高速鐵路和5G 的應(yīng)用背景下,硅基器件已不能滿足高能量密度和高頻的技術(shù)發(fā)展.作為第三代半導(dǎo)體的典型材料,如SiC 和GaN,越來越成為當(dāng)前社會和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點.因為它們具有大禁帶寬度(Eg)及高的擊穿電場(EBR),從而有望突破硅基器件的技術(shù)局限.然而,受晶體生長、器件制造難度和成本的影響,這些材料的應(yīng)用存在一定限制.最近,氧化鎵(β-Ga2O3)作為一種新的半導(dǎo)體候選材料,已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注,它可以制造超越當(dāng)前SiC 和GaN 技術(shù)參數(shù)的功率器件[2].相比于第三代半導(dǎo)體,它具有更寬的禁帶和更高的擊穿電壓;比其他超帶寬半導(dǎo)體,如AlN 和金剛石,則更容易制造.

β-Ga2O3可以采用氫化物氣相外延和分子束外延等外延法,在同質(zhì)或異質(zhì)襯底上制作出低導(dǎo)通電壓、高正向電流密度和高開關(guān)速度特性的肖特基勢壘二極管.Sasaki 等[3]在單晶上同質(zhì)外延n型氧化鎵,使得擊穿電壓達(dá)到150 V 以上;而Oh 等[4]報道了210 V 的Ni/Ga2O3垂直型肖特基二極管,常溫下導(dǎo)通電阻(Ron)為2582 Ω·cm2,品質(zhì)因子(FOM=,其中VBR為擊穿電壓)約為17.1 W/cm2,勢壘高度為1.0—1.2 eV;Konishi等[5]則報道了使用直徑200 μm 的Au 陽極且?guī)в袌霭褰Y(jié)構(gòu)的垂直型肖特基二極管,Ron和VBR分別達(dá)到了5.1 mΩ·cm2和1076 V,有效勢壘高度約為1.46 eV;而Yang 等[6]在沒有使用場板的情況下,采用Ni 作為肖特基接觸電極,制備的二極管VBR也超過了1000 V,勢壘高度為0.94 eV,Ron為6.7 mΩ·cm2,室溫下品質(zhì)因子約為154.3 W/cm2,反向漏電流在μA/cm2量級;Hu 等[7]則使用藍(lán)寶石襯底制備了橫向的肖特基二極管.同樣采用Ni作為肖特基接觸,在沒有場板保護(hù)的情況下,可獲得最高1700 V 的擊穿電壓、0.85—0.9 V 的開關(guān)電壓.Mohamed 等[8]則使用Au 作為肖特基接觸,構(gòu)成的二極管具有1.23 eV 的勢壘高度,在正向電壓1 V 時電流可達(dá)10—3A.Splith 等[9]研究了Cu 作為正向電極的肖特基二極管,得出有效勢壘高度為1.32 eV,反向電流在10—7A/cm2量級,正向開啟電壓為0.6 V.He 等[10]使用Pt 作為正向電極制備的肖特基二極管,整流比率可到1010,勢壘高度達(dá)到1.39 eV,內(nèi)建電勢(Vbi)為1.07 V,Ron為12.5 mΩ·cm2,反向飽和電流達(dá)到10—16A 量級,正向電流在2 V 時達(dá)到56 A/cm2.

從上述分析可以看出,對氧化鎵肖特基二極管已有了大量的研究,制備出了性能各異、肖特基電極差異很大、功率密度和勢壘電壓差別也較大的各種功率管,可以使用在多種場合.但目前還未見針對同一種金屬,功率密度、勢壘可調(diào)且具有廣泛用途的二極管的報道.

本文經(jīng)過設(shè)計仿真,提出在傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)上外延一層納米級的重?fù)窖趸墝?通過調(diào)節(jié)納米層的厚度和摻雜濃度,可以在較大范圍內(nèi)調(diào)控肖特基二極管的勢壘高度和功率密度,采用相同的工藝實現(xiàn)不同要求的肖特基二極管.最后通過理論分析了其作用機(jī)理,為實驗制備提供了依據(jù).

2 計算方法

采用Ni/Ga2O3肖特基二極管作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),在厚度為0.2 μm、Sn 摻雜濃度為3.6×1018cm—3的β-Ga2O3襯底上外延0.6 μm、Si 摻雜濃度為2.0×1016cm—3的β-Ga2O3;頂部電極用Ni 形成肖特基接觸,底部電極用Ti 形成歐姆接觸.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增加一層n型的β-Ga2O3薄層,并改變其濃度、厚度,研究器件性能的變化,典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示.結(jié)構(gòu)中Ni 的功函數(shù)為5.15 eV[11],β-Ga2O3的親和能為4.00 eV[12],300 K 時的帶隙為4.80 eV[13],Nc在300 K 時為3.72×1018cm—3,相對介電常數(shù)為10,電子遷移率為118 cm2/(V·s),空穴的遷移率為50 cm2/(V·s)[14];其他材料參數(shù)參考N-族寬禁帶半導(dǎo)體的數(shù)值[6,15].為了研究肖特基的接觸勢壘,考慮了鏡像力效應(yīng),所有的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格都被精細(xì)劃分,使得最終穩(wěn)態(tài)電流不隨網(wǎng)格的變化而變化.基礎(chǔ)物理模型采用肖特基接觸的熱電子發(fā)射理論(thermionic emission model),并且考慮能帶變窄效應(yīng)(Bgn model)、隧穿效應(yīng)(Tsu-Esaki model)、費(fèi)米統(tǒng)計(Fermi-Dirac model)以及離子碰撞模型(Selberherr model),隧穿效應(yīng)采用WKB(Wenzel-Kramers-Brillouin)近似[16,17];計算未考慮缺陷影響.收斂判據(jù)使用Newton 算法.

圖1 Ni/Ga2O3 肖特基二極管的典型結(jié)構(gòu)Fig.1.Typical structure of Ni/Ga2O3 Schottky diodes.

3 結(jié)果

圖2 所示是外延5 nm、Si 摻雜濃度為2.6 ×1018cm—3的n+β-Ga2O3薄層和未加n+薄層的肖特基二極管性能曲線對比.為了解性能差異及外延層的影響,在正向特性曲線中還同時對比了存在和不存在隧穿作用的情況,如圖2(a)所示.而反向特性曲線則直接考慮隧穿電流而沒有對比無隧穿的情況,如圖2(b)所示.肖特基反向特性漏電流較小,需要考慮隧穿電流,否則結(jié)果意義不大.

由圖2 可以看出,沒有外延薄層并且不考慮隧穿電流的情況下,肖特基二極管的開啟電壓約為0.76 V,在0.8 V 的正向偏置下,正向電流密度為2.34 A/cm2(通過圖2 中0.8 V 的電流值除以圖1 面積換算而來,下同);考慮隧穿電流,開啟電壓為0.75 V,正向電流密度為3.62 A/cm2.

圖2 外延與未加n+β-Ga2O3 薄層的肖特基性能曲線對比(外延層厚度為5 nm、濃度為2.6×1018 cm—3)(a)正向特性曲線;(b)反向特性曲線Fig.2.Comparison of β-Ga2O3 Schottky diode performance with and without n+ epitaxial layer (thickness 5 nm,concentration 2.6×1018 cm—3):(a)Forward characteristic curve;(b)reverse characteristic curve.

而相同面積的肖特基二極管外延5 nm 的n+層后,且不考慮隧穿電流的情況下,開啟電壓為0.76 V,正向電流密度為14.05 A/cm2;如果考慮隧穿效應(yīng),開啟電壓仍然為0.76 V,正向電流密度大幅度增大到496.88 A/cm2.

大量研究結(jié)果表明,肖特基二極管的電流方程符合熱電子發(fā)射理論[18],可以用(1)式表示:

其中u是外部電壓,k是玻爾茲曼常數(shù),q是單位電子電荷,n是理想因子,Rs是串聯(lián)電阻,I0是飽和電流,由(2)式給出:

這里,A是接觸面積,A*是有效理查森常數(shù)(33.7 A·cm—2·K—2),Φb是有效勢壘高度.也就是說普通的肖特基二極管電流主要來源于熱電子發(fā)射,而隧穿電流、缺陷復(fù)合等電流成分較小.按照這種假設(shè)計算上述4 種情況的勢壘高度和理想因子,結(jié)果見表1.

表1 按照熱電子發(fā)射理論計算的參數(shù)Table 1. Parameters calculated according to hot electron emission theory.

沒有外延薄層且不考慮隧穿效應(yīng)的情況下(類型I),理想因子為1.06,正向?qū)娮杓s為88.50 mΩ·cm2,有效勢壘高度為1.08 eV;考慮隧穿效應(yīng)后(類型II),理想因子上升為1.10,正向?qū)娮杓s為31.10 mΩ·cm2,有效勢壘高度為1.07 eV,對應(yīng)的擊穿電壓為187.61 V,由此計算的FOM 值為1.13 MW/cm2.實驗測試的Ni/β-Ga2O3肖特基二極管勢壘高度在1.10 eV 左右,對應(yīng)的理想因子約為1.30[4,6].本文中所用的Ni 的功函數(shù)為5.15 eV[11],β-Ga2O3的親合能為4.00 eV,考慮鏡像力作用,有效勢壘高度低于1.15 eV 是比較合理的結(jié)果;而本文得出的理想因子明顯低于文獻(xiàn)報道的結(jié)果[4,6],是由于沒有考慮缺陷作用,而0.8 V 時的電流密度也稍微小于文獻(xiàn)[6]的值(～6.09 A/cm2),導(dǎo)通電阻也較文獻(xiàn)[6]報道結(jié)果高(～6.7 mΩ·cm2),同樣是由于缺陷帶來的影響.但仍然可以從類型I 和II的對比看出,隧穿效應(yīng)可以提高電流密度達(dá)54%.

有外延層且不考慮隧穿效應(yīng)時(類型III),理想因子變?yōu)?.02,正向?qū)娮杓s為18.25 mΩ·cm2,有效勢壘高度1.02 eV;考慮隧穿效應(yīng)后(類型IV),理想因子變?yōu)?.07,正向?qū)娮杓s為0.27 mΩ·cm2,有效勢壘高度0.93 eV,對應(yīng)的反向擊穿電壓為182.30 V,由此計算的FOM 值高達(dá)123.09 MW/cm2.對比類型III 和IV 可得,有外延薄層時,隧穿效應(yīng)可以提高電流密度達(dá)35 倍;對比類型II 和IV 可看出,外延薄層僅僅使反向耐壓降低了5.31 V,小于3%.很明顯,增大一層n型的β-Ga2O3薄層能降低正向?qū)娮韬蛣輭倦妷?而大幅度提升功率密度;而外延的薄層使隧穿效應(yīng)對肖特基二極管的影響更為顯著,對反向耐壓影響較小.

圖3 顯示了考慮隧穿效應(yīng)時,在2.6×1018cm—3濃度下,n+層厚度對正向特性及相關(guān)參數(shù)的影響.

圖3 考慮隧穿效應(yīng),在2.6×1018 cm—3 濃度下,n+層厚度對正向特性的影響 (a)正向I-V 曲線;(b)0.8 V 正向偏置時,電流密度與n+層厚度的關(guān)系;(c)導(dǎo)通電阻與n+層厚度的關(guān)系;(d)有效勢壘高度和理想因子與n+層厚度的關(guān)系Fig.3.Considering the tunnel effect,influence of n+ layer thickness on forward characteristic with concentration 2.6×1018 cm—3:(a)Forward I-V curve;(b)relationship between current density and the thickness at 0.8 V forward bias;(c)relationship between Ron and the thickness;(d)relationship of effective barrier height and ideal factor to the thickness.

從圖3(a)可以看出,n+層厚度在1—14 nm 范圍內(nèi),相同的正向偏壓下,厚度越大電流密度越高.從圖3(b)可以看出,在0.8 V 正向偏置下,n+層厚度小于10 nm 時,電流密度小于800 A/cm2,大于10 nm 后,電流密度快速上升,最終達(dá)到4139.78 A/cm2(n=14).同樣也可以按照(1)式和(2)式計算導(dǎo)通電阻、勢壘高度和理想因子.從圖3(c)和圖3(d)可以看出,n+層厚度在1—14 nm 范圍內(nèi),導(dǎo)通電阻均小于1 mΩ·cm2,但隨著厚度的增大而增大.有效勢壘高度值在1.04—0.88 eV 之間,并且隨著厚度增大有逐漸下降的趨勢;而理想因子n在1.02—1.26 之間,隨著厚度的增大逐漸升高.

此處n值偏離1 越大,表明隧穿電流作用越強(qiáng).而導(dǎo)通電阻受到勢壘層和串聯(lián)電阻效應(yīng)的共同影響.勢壘高度隨著厚度的增大而逐漸降低,熱發(fā)射電流和隧穿電流同時增大導(dǎo)致電流密度增大,致使導(dǎo)通電阻減小.與此同時,串聯(lián)電阻隨厚度的增大而逐漸增大,但考慮到n+外延層摻雜濃度較高,厚度從1 nm 增大到14 nm,串聯(lián)電阻增大非常有限.所以可認(rèn)為導(dǎo)通電阻主要受隧穿作用的影響.

圖4 顯示了考慮隧穿效應(yīng)時,在n+層厚度為5 nm 時,n+層濃度變化對正向特性及相關(guān)參數(shù)的影響.

從圖4(a)可看出,n+層濃度在1014—1019cm—3范圍內(nèi),在相同的正向偏壓下,濃度越高電流密度越大;從圖4(b)可看出,0.8 V 正向偏置時,濃度在1018cm—3以內(nèi),電流密度變化不大,濃度超過1018cm—3后,電流密度急速上升.按照(1)和(2)式計算導(dǎo)通電阻、勢壘高度和理想因子.從圖4(c)可看出,在考慮隧穿效應(yīng)的情況下,總體上導(dǎo)通電阻隨著n+外延層濃度增大而逐漸降低.當(dāng)n+層濃度小于1018cm—3,電阻呈現(xiàn)較高的值,當(dāng)濃度超過1018cm—3,導(dǎo)通電阻降低到1 mΩ·cm2以下,并且呈現(xiàn)下降趨勢.有效勢壘高度為1.08—0.85 eV,也隨著厚度增大逐漸下降.當(dāng)濃度低于1018cm—3,勢壘高度下降并不明顯;超過1018cm—3,勢壘高度快速下降;而理想因子在1.06—1.15 之間,并隨著厚度的增大逐漸升高.

圖4 考慮隧穿效應(yīng),在厚度為5 nm 時,n+層濃度對正向特性的影響 (a)正向I-V 曲線;(b)0.8 V 正向偏置時,電流密度與n+層濃度的關(guān)系;(c)導(dǎo)通電阻與n+層濃度的關(guān)系;(d)有效勢壘高度和理想因子與n+層濃度的關(guān)系Fig.4.Considering the tunnel effect,the influence of n+ layer concentration on the forward characteristic with 5 nm thickness:(a)Forward I-V curves;(b)relationship between current density and the concentration at 0.8 V forward bias;(c)relationship between Ron and the concentration;(d)relationship of effective barrier height and ideal factor to the concentration.

n值的增大很大程度上表明隧穿電流的增強(qiáng).從圖4(d)可以看出,n值最終達(dá)到1.15.表明肖特基二極管逐漸偏離了理想熱發(fā)射占主導(dǎo)的機(jī)制.n+外延層的濃度升高,導(dǎo)通電阻逐漸下降,濃度較低時,串聯(lián)電阻效應(yīng)和熱發(fā)射效應(yīng)較弱,電阻隨著濃度降低并不明顯;隨著外延層濃度進(jìn)一步上升,串聯(lián)電阻效應(yīng)、熱發(fā)射以及隧穿效應(yīng)的增強(qiáng)導(dǎo)致電阻快速下降.

4 討論

沒有外延層時,金屬-半導(dǎo)體接觸的性能取決于有效勢壘,而有效勢壘除了決定于金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)差之外,在電場的作用下,鏡像力、界面態(tài)和隧穿效應(yīng)也會對勢壘產(chǎn)生影響.

界面態(tài)對勢壘的影響較為嚴(yán)重,本文由于缺少界面態(tài)密度等數(shù)據(jù),未考慮其影響,以至于在沒有n+外延層時,理想因子接近1,表明了較好的接觸.

對于鏡像力對勢壘的影響,可以使用(3)式表示[12]:

式中,Δφ為鏡像力導(dǎo)致的勢壘降低高度,ξ為電場的最大值,εs為介電常數(shù).在沒有外延層的情況下,0.8 V 正向偏壓時,縱向電場的最大值約為3.71×104V/cm,與仿真值相同.計算可得 Δφ為0.023 eV,勢壘高度約為1.12 eV.

隧穿效應(yīng)對勢壘有較大的影響.前文對比過無外延層時隧穿電流的影響(圖2 和表1),發(fā)現(xiàn)隧穿效應(yīng)會使得沒有外延層的電流密度增大54%;對應(yīng)的勢壘高度降低可以用(4)式表示:

式中,Es為表面最大電場,而xm是最大電場對應(yīng)的位置.計算可得 Δφ為0.046 eV,勢壘高度為1.10 eV 左右.兩者相差并不明顯,電場強(qiáng)度也不強(qiáng),雖然隧穿效應(yīng)增大了電流,但增大有限,表明電流的增大主要來自于熱發(fā)射作用的增強(qiáng).

有外延層時,在0.8 V 偏壓下,縱向電場的最大值約為3.52×105V/cm,與仿真值相同.不考慮隧穿效應(yīng),同樣利用(3)式計算可得 Δφ為0.071 eV,明顯比無外延層的情況下勢壘降低顯著.熱發(fā)射導(dǎo)致電流進(jìn)一步增大;而在有外延層的情況下,隧穿效應(yīng)變得更加劇烈,可以使電流增大幾十倍.在有薄層的情況下,勢壘高度受隧穿影響不能直接用(4)式計算,因為式中沒有薄層厚度和濃度的影響.

在金屬半導(dǎo)體之間插入重?fù)诫s的n型薄層調(diào)控有效勢壘高度,形成的電場分布中,最大值為

其中,a為薄層的厚度,W為耗盡層寬度,n1為薄層濃度,n2為半導(dǎo)體外延層濃度,εs為半導(dǎo)體材料的介電常數(shù).本文中外延層的摻雜濃度為2.0×1016cm—3,而薄層的摻雜濃度為2.6×1018cm—3,故電場強(qiáng)度可以簡化為

對應(yīng)的鏡像力勢壘降低可以用(8)式表示:

當(dāng)厚度為5 nm 時,計算可得所使用薄層的最大電場可達(dá)3.52×105V/cm,鏡像力勢壘降低值為0.058 eV.

而對應(yīng)的隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的勢壘降低,同樣可根據(jù)最大電場計算得到勢壘降低約為0.124 eV,有效勢壘約為0.967 eV.此時電場強(qiáng)度超過105V/cm,隧穿電流將變得顯著,而熱發(fā)射電流由于勢壘的降低而同時增大[13].

由以上分析可以看出,n+高濃度外延層增大了半導(dǎo)體一側(cè)的電場強(qiáng)度,勢壘高度受到鏡像力、串聯(lián)電阻及隧穿效應(yīng)的多方面影響.其中,鏡像力由于電場的增大而使得勢壘下降得不多;外延層的厚度同樣會造成勢壘高度的下降,但下降的值也并不嚴(yán)重;高電場會使得隧道作用變得顯著,其對勢壘的降低作用占據(jù)了主要部分.因此,n+薄層導(dǎo)致電流密度大幅度上升和導(dǎo)通電阻的急劇下降,是由于勢壘降低導(dǎo)致的熱發(fā)射電流的增大,更為重要的是半導(dǎo)體一側(cè)電場強(qiáng)度的增大導(dǎo)致隧穿電流的增大.可以確信隧穿作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱發(fā)射作用,對勢壘的調(diào)控也主要是由于隧穿作用.

5 結(jié)論

本文研究了n+高濃度外延層對氧化鎵肖特基二極管的勢壘調(diào)控.結(jié)果發(fā)現(xiàn),外延一定厚度和濃度的n型氧化鎵薄層后,性能相較于普通氧化鎵二極管得到大幅度提升.其中縱向電流密度每平方厘米可高達(dá)幾百安,導(dǎo)通電阻降低到1 mΩ·cm2以下,FOM 值達(dá)到100 MW/cm2以上.理論分析表明,性能的提升主要是由于n+高濃度外延薄層對肖特基接觸的勢壘調(diào)控.勢壘調(diào)控在于外延薄層對鏡像力、外延層本身和隧穿效應(yīng)的綜合影響,其中隧穿效應(yīng)影響最大.當(dāng)外延薄層濃度增大時,勢壘高度隨著減小;當(dāng)外延薄層厚度增大時,勢壘高度隨著減小.最終導(dǎo)致氧化鎵肖特基二極管在熱發(fā)射的基礎(chǔ)上,大幅度增大了電流密度,從而降低了導(dǎo)通電阻、增大了FOM 值.