Ni/Au/n-GaN肖特基二極管可導位錯的電學模型?

王翔 陳雷雷 曹艷榮 羊群思 朱培敏 楊國鋒王福學 閆大為 顧曉峰

1)(江南大學電子工程系,物聯網技術應用教育部工程研究中心,無錫 214122)2)(西安電子科技大學,寬帶隙半導體技術國家重點學科實驗室,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大于理論值的過剩泄漏電流,將嚴重降低器件的整體電學性能和可靠性[1].微觀電學和形貌測試表明,泄漏電流的產生與位錯所形成的特定缺陷態直接相關[2,3].然而,由于這些電學缺陷主要位于材料內部無法直接實驗探測,許多研究者僅將其等效為禁帶內的連續可導缺陷態.實際上,這種簡單模型忽略了缺陷對材料電學行為的影響,不利于理解真實的電荷輸運過程和電流退化物理本質.與此相關,一些研究者對GaN肖特基二極管的反向泄漏電流的輸運機制提出了多種物理模型[4?7].例如,Miller等[3]認為,低溫下反向泄漏電流主要由隧穿電流占主導,而高溫下缺陷輔助隧穿電流或者變程跳躍電流將占主導.Zhang等[5]認為,低溫下的反向泄漏電流主要由電子Fowler-Nordheim(FN)隧穿過程決定,而高溫下電子從表面施主態Frenkel-Poole發射至連續可導缺陷態過程將變得更加重要.Lei等[6]通過數值擬合證明,電子直接隧穿進入導電位錯有關的連續態可能是決定泄漏電流行為的主要過程.此外,Hashizume等[7]認為,勢壘層表面高濃度深能級施主態(N空位)能夠導致勢壘變薄和電場增強,使FN隧穿過程更加容易發生.然而,該模型與N空位通常為淺能級施主的事實相沖突,且沒有考慮位錯對泄漏電流的影響,實驗證據不足.以上物理模型有助于理解GaN肖特基結構泄漏電流的輸運本質,但都沒有提出足夠清晰的可導位錯電學物理模型,具體的物理過程仍未被一致認同.

鑒于此,本文基于對GaN肖特基二極管泄漏電流輸運機制的分析,提出一個精細可導位錯的唯像電學物理模型.該模型主要強調:1)位于位錯中心的深能級受主態電離后具有較高的庫侖電勢,基本不對漏電流有貢獻;2)位錯周圍的淺施主缺陷態電離后具有較低的庫侖勢,且耗盡區變薄,可導致顯著的FN隧穿電流;3)并非傳統N空位,而是O替代N形成的淺能級施主態可能為導致泄漏電流的主要電學態,其激活能大約為47.5 meV.

2 器件制備與測試

器件所采用的GaN外延片是利用金屬有機化學氣相沉積法生長在自支撐GaN體襯底上的,其外延結構包括0.5μm n+-GaN過渡層和3μm n-GaN有源層.圖1(a)所示為外延片的陰極射線發光圖(CL mapping),其中每一個黑點對應一個垂直線性位錯(非輻射復合中心).據此,可獲得外延片的平均位錯密度約為5×106cm?2,遠低于常規藍寶石襯底GaN外延片的典型值108cm?2.圖1(b)所示為器件的橫截面結構示意圖.首先,利用標準光刻和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的氮氣環境中快速熱退火60 s以形成歐姆接觸;然后,利用等離子體化學氣相沉積技術在半導體表面生長20 nm的SiO2介電層;最后,利用標準光刻和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,通過其斜率可知有源層內的有效施主摻雜密度約為4×1016cm?3,通過其截距可知器件的內建電勢和肖特基勢壘高度分別約為1.18 V和1.34 eV.

圖1 (a)同質外延GaN CL圖;(b)Ni/Au/n-GaN肖特基二極管器件橫截面結構示意圖;(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數據圖Fig.2.High frequency 1/C2-V data plot of Ni/Au/n-GaN diodes.

3 結果與討論

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,測試溫度范圍為300–400 K.可以看到,在正向偏壓下,半對數坐標下的電流先線性增長,然后由于串聯電阻效應增強而逐漸向下彎曲.通常,肖特基二極管的T-I-V關系可由以下經驗公式近似描述[8]:

式中I0為反向飽和電流,可由線性關系外延至V=0的電流截距獲得;?B為電流勢壘高度;k為玻爾茲曼常數;RS為串聯電阻;n為理想因子,可由線性I-V曲線的斜率獲得;T為溫度;q為電子電量.當I0主要由熱電子發射(thermionic emission,TE)電流占主導且隧穿電流和耗盡層復合電流不重要時,n接近于1.當摻雜濃度較大或在低溫時,隧穿電流將成為主要電流成分,I0和n值都會增加[9].圖3(b)所示為n和I0對T的依賴關系,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的數值遠大于理論值1×10?15A,同時考慮到空穴的勢壘高度較大(約2.12 eV),所以I0的溫度依賴特性不能使用經典TE機制或產生復合機制解釋.此外,既然I0表現為T的強函數,故單純的非熱隧穿機制也不適用.

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

線性位錯(尤其是螺旋位錯)被普遍認為是引起較大泄漏電導的主要原因,那么相關的電學缺陷必須是施主型,因為施主態電離后才能夠導致較低的勢壘,并為電子的傳導提供空態.此觀點與Look等[10]的結論一致.在此背景下,(1a)式的形式可重寫為

式中m?～0.2m0是電子在GaN中的有效質量;?為約化普朗克常數;NT為電離的凈施主態密度,可由線性關系的斜率獲得.(2)式表明,可以通過電流斜率獲得NT的數值.

圖4(a)所示為NT對1/T的依賴關系. 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,其對應的激活能約為47.5 meV.由于NT的數值遠大于材料的背景濃度(4×1016cm?3),表明在施主態位置形成了薄表面勢壘區.同時,根據(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壘高度低0.21 eV,表明肖特基界面的勢壘和電導分布并不均勻.因此,我們認為正向低偏壓區的泄漏電流應主要為高密度施主態所導致的局域隧穿電流(n＞1).

在反向偏壓下,耗盡層內電場將變得更強,使表面勢壘更薄而形成三角形勢壘.此時,金屬電子將具有很大概率隧穿到半導體內部,形成FN隧穿電流[11],有

圖4 Ni/Au/n-GaN肖特基二極管的(a)施主態密度和(b)反向飽和電流的Arrhenius數據圖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,?為有效隧穿勢壘高度,E為最大電場強度.重寫(3)式得.

(4)式表明,當FN隧穿電流占主導時,實驗ln(I/E2)-1/E數據應滿足線性依賴關系[12],且斜率為T的弱函數.圖5(a)所示為由實驗數據得到的ln(I/E2)-1/E數據,結果與(4)式的形式完全一致,證明反向泄漏電流應主要為FN隧穿電流.與Hashizume等[7]的假設一致,為了得到一個理想的擬合結果,施主態分布必須具有指數衰減的形式,其特征長度約為4 nm,如圖5(b)所示.通過擬合數據,可獲得有效隧穿勢壘高度約為0.8 eV.該值低于之前的電流勢壘高度1.1 eV,這可能是缺陷存在使局域電場降低所導致.必須指出的是,這里經典Frenkel-Poole發射過程并不重要,因為電流斜率的溫度系數比理想結果要大5倍.

圖5 (a)不同溫度下的ln(I/E2)-1/E數據圖;(b)施主態缺陷的空間分布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空位被認為是GaN材料中最重要的淺能級施主態.然而,我們認為O替代N形成的ON缺陷應是引發較大泄漏電流的主要原因,因為:1)材料生長過程中,O原子傾向于向{10ˉ10}表面通過N空位進行擴散并在位錯終端積累,形成高密度的ON-VGa復合物,影響位錯的電學特性[13];2)第一性原理計算得到的O有關施主態的激活能大約為50 meV[14,15],非常接近本文得到的實驗值47.5 meV.

較多的理論計算和實驗結果表明,Ga空位在GaN材料內具有較低的形成能,常作為深能級受主態穩定地存在于位錯中心位置.不難推測,這些深能級受主態能夠俘獲周圍施主態的自由電子,抬升該處的庫侖勢,同時降低周圍施主態的電勢,形成如圖6所示的能帶結構[16?18].因此,位錯中心主要帶負電[19],對泄漏電流應該沒有貢獻,而位錯周圍高濃度的淺能級施主態能夠形成勢壘高度較低的薄耗盡區,為正電性,可以作為有效的泄漏電流隧穿通道.該位錯電學模型與實驗觀察結果一致[20],即泄漏電流主要發生在位錯的周圍邊緣區域.根據我們所提出的模型,被降低的導帶應為泄漏電子的主要輸運通道,因為電子很容易從淺能級施主態激發至遷移率更高的導帶.相比簡單連續缺陷態物理模型,我們所提出的電學模型物理意義更加豐富,這對于研究其他GaN基器件的泄漏電流輸運機制以及器件可靠性與失效性都具有重要意義.

圖6 GaN可導位錯的能帶結構示意圖Fig.6.Schematic bandgap diagram around the electrical dislocation site in GaN.

4 結 論

通過深入分析GaN肖特基二極管的泄漏電流輸運機制提出了一個可導位錯的電學模型,認為位錯中心主要為帶負電的深能級受主態,對泄漏電流基本沒有貢獻;位錯周圍的高濃度淺能級施主態則會形成局域的有效隧穿通道,決定整個器件的電流行為.因此,有效鈍化O有關的施主態(或者減小位錯周圍的N缺陷空位)是有效減小此類器件泄漏電流的有效方法之一[21].