晶格匹配InAlN/GaN 異質結肖特基接觸反向電流的電壓與溫度依賴關系*

閆大為 吳靜 閆曉紅 李偉然俞道欣 曹艷榮 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) (北京智芯微電子科技有限公司, 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心, 北京 102200)

3) (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)

測量了晶格匹配InAlN/GaN 異質結肖特基接觸的反向變溫電流?電壓特性曲線, 研究了反向漏電流的偏壓與溫度依賴關系.結果表明: 1)電流是電壓和溫度的強函數, 飽和電流遠大于理論值, 無法采用經典熱發射模型解釋; 2)在低偏壓區, 數據滿足 l n(I/E)-E1/2 線性依賴關系, 電流斜率和激活能與Frenkel?Poole 模型的理論值接近, 表明電流應該為FP 機制占主導; 3)在高偏壓區, 數據滿足 l n(I/E2)-E?1 線性依賴關系, 電流斜率不隨溫度改變, 表明Fowler?Nordheim 隧穿機制占主導; 4)反向電流勢壘高度約為0.60 eV, 遠低于熱發射勢壘高度2.91 eV, 表明可導位錯應是反向漏電流的主要輸運通道, 局域勢壘由于潛能級施主態電離而被極大降低.

1 引 言

與傳統AlGaN/GaN 異質結相比, 晶格匹配InAlN/GaN 異質結的勢壘層不存在壓電極化效應, 更適合制備工作在高頻和高溫環境的高電子遷移率晶體管(HEMTs)[1?3].InxAl1—xN 合金的重要特征是可以生長出In 含量(x)約為17%的與GaN晶格匹配的外延層.晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN的異質結界面具有最小的應力, 因此不易形成裂紋和位錯[4,5].盡管如此, 晶格匹配InAlN/GaN 異質結外延薄膜內部卻存在更高的可導位錯密度, 約109cm—2, 導致器件遭受更高的反向漏電流[6,7], 會嚴重降低器件的電學可靠性.尤其是, 當器件長期工作在高頻和高壓條件下, 其電學可靠性會嚴重退化, 甚至會提前發生擊穿失效, 不利于器件的實際應用.過去, 許多研究者測量了Ni/Au/AlGaN/GaN肖特基接觸的變溫電流?電壓(T-I-V)特性曲線,分析了可導位錯對反向漏電流的重要作用[8?11].Hsu等[7]認為反向漏電流對勢壘高度不敏感, 而主要與螺旋和混合位錯有關.Miller 等[12]將反向電流歸因于電子沿著位錯的兩步陷阱輔助隧穿或者一維變程跳變過程.Arslan 等[13]認為金屬?半導體界面附近俘獲態中的電子可以發射到與每個導電位錯相關的連續態中去, 從而形成反向泄漏電流.以上模型認為可導位錯是反向漏電的主要輸運通道, 并將其簡單地等效為禁帶中的連續可導缺陷態.這種處理方法未考慮材料的微觀電學結構變化, 顯然不利于揭示其對器件電學行為的影響.最近, Chen等[14]首次提出了可導位錯的精確物理模型, 闡明了其在GaN 肖特基二極管反向漏電的具體作用.

鑒于此, 本文制備了晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN HEMTs 的肖特基柵極結構, 系統研究了反向漏電流的偏壓與溫度依賴關系.結果表明: 1)低偏壓下的電流主要為Frenkel?Poole (FP)發射電流,即在電場作用下界面施主態內的電子向位錯導帶熱發射的過程; 2)高偏壓下的電流主要為Fowler?Nordheim(FN)隧穿電流, 即金屬中的電子向位錯導帶隧穿的過程.我們認為, 并非禁帶中連續缺陷態, 而是位錯邊界電離的施主態有效降低了導帶位置, 明顯降低該處肖特基勢壘, 成為有效的局域導電通道.

2 器件制備與測試

本文使用的晶格匹配InAlN/GaN 異質結肖特基勢壘二極管是采用金屬有機化合物氣相沉積法沉積在藍寶石襯底上的, 其外延結構主要包括3 μm 的非摻雜GaN 緩沖層(ND≈ 2 × 1017cm—3),2 nm 厚度的AlN 插入層和18 nm 的未摻雜In0.17Al0.83N 勢壘層.In 組份大約為17%, 此條件下InAlN 勢壘層與GaN 晶格匹配, 異質結內部無壓電極化效應[15,16].圖1(a)所示為InAlN/GaN異質結肖特基勢壘二極管的橫截面結構示意圖.首先, 利用標準光刻和剝離工藝歐姆電極的形狀和尺寸, 然后利用電子束蒸發Ti/Al/Ni/Au(30/150/50/300 nm)合金后, 將外延片立即放置在870 ℃的N2環境中快速熱退火30 s, 形成良好的歐姆接觸.接著, 通過等離子體化學氣相沉積法在外延片表面生長一層100 nm 的Si3N4鈍化層.最后利用光刻和剝離工藝定義肖特基接觸的圖形和尺寸, 通過電子束沉積Pt/Au(40/100 nm)合金獲得肖特基接觸.圖1(b)所示為InAlN/GaN 異質結肖特基勢壘二極管的俯視圖.其中, 圓形肖特基電極的直徑約為100 μm, 與歐姆電極的間距約為8.6 μm.基于經典熱發射(TE)模型, 通過擬合正向高偏壓區的I-V曲線, 得T= 300 K 時熱發射有效勢壘高度約為2.91 eV[17].

3 結果與討論

圖2(a)所示為晶格匹配InAlN/GaN 異質結肖特基接觸反向T-I-V和C-V特性曲線.隨著反向偏壓的增大, 電流先快速增加然后增長速度變得緩慢, 并出現負溫度系數.在—4 — —6.5 V 區域, 電容隨著反向電壓的增大迅速減小, 表明此時二維電子氣(2DEG)濃度急劇減小, 在V= —6.5 V 時溝道夾斷,Vpin?off= —6.5 V.2DEG 面濃度(n2DEG)和反向偏壓的關系可由以下關系式獲得

式中,A≈ 7.854 × 10—5cm2為肖特基電極面積.根據(1)式積分C-V曲線可得, 零偏壓下的n2DEG約為1.2 × 1013cm—2, 與理論值接近.進而, 可得勢壘層電場?電壓關系[18]

其中σp(—)=2.73 × 1013cm—2為InAlN 極化面固定電荷密度[16],ε0是真空介電常數,ε= 8.9ε0為GaN 相對介電常數.圖2(b)所示為室溫下n2DEG和E對V的依賴關系.可以看到, 隨著反向偏壓增加,n2DEG隨電壓的增大迅速減小, 在V= —6.5 V處基本完全耗盡.相應地,Es(V)隨著電壓的增大先線性增大, 在V= —6.5 V 處后維持在5.5 MV/cm基本不變.

圖1 (a) InAlN/GaN 肖特基勢壘二極管橫截面結構示意圖; (b)俯視圖Fig.1.(a) Schematic cross?section diagram of InAlN / GaN Schottky barrier diodes; (b) top view image of the devices.

圖2 (a) 不同溫度下InAlN/GaN 肖特基勢壘二極管的I-V 特性和常溫下典型的C-V 特性曲線; (b)電場與電壓的函數關系圖和n2 DEG 對電壓的依賴關系Fig.2.(a) The reverse I-V characteristics of InAlN / GaN Schottky diode measured at various temperatures and typical C-V curve at room temperature; (b)electric field and n2 DEG as a function of gate voltage.

理想肖特基接觸的電流行為由TE 模型描述[14],其飽和電流可表示為

式中,A*≈ 55.7 A·cm—2·K—2為有效理查森常數,k是玻爾茲曼常數,qφBn≈ 2.91 eV 是理想肖特基勢壘高度[17].圖3 比較了飽和電流在不同溫度下的理論值和實驗值, 表明實際的飽和電流遠大于理論值.例如, 在500 K 條件下實驗值也比理論值大17 個量級.因此, 經典TE 模型并不適用于本研究所使用的器件.

圖3 不同溫度下InAlN/GaN 肖特基勢壘二極管的反向飽和電流的理論值和實驗值Fig.3.Theoretical and experimental reverse saturation cur?rent of InAlN/GaN Schottky diodes for different temperat?ures.

物理上講, 肖特基結構反向電流的強電壓和溫度關系可能起源于兩種輸運過程: 1)當電子直接來自金屬時, 肖特基效應占主導; 2)當電子來自界面施主態時, Frenkel?Poole 發射機制占主導.

首先考慮肖特基效應, 即在強電場存在的情況下, 鏡像力所引起的發射勢壘降低.相應的電流可表示為[19]

式中,qφSC為肖特基勢壘高度.(4a)式和(4b)式表明, 若肖特基效應占主導, 則lnI應與E1/2滿足線性關系, 且其斜率βSC具有固定的激活能q(q/4πεε0)1/2≈1.26 × 10—4eV.圖4(a)所示為lnI與E1/2的關系圖, 確實滿足線性依賴關系.圖4(b)所示為相應的電流斜率βSC與溫度的關系, 表明實驗值約為理論值的2 倍, 并且相應的激活能也約為理論值的2 倍.因此, 我們認為肖特基效應并不是造成反向電流泄漏的主要機制.

然后考慮FP 發射機制, 即在強電場作用下導帶發生傾斜, 導致缺陷態電子發射勢壘的降低, 其電流具有以下形式[14]:

式中,σFP為FP 導電系數,qφFP是零電場時的發射勢壘高度.(5a)式—(5b)式表明, 若FP 發射電流占主導, 則ln(IFP/E)與E1/2數據應滿足線性關系,且斜率對應一固定的熱激活能,q(q/πεε0)1/2～2.53 ×10—4eV.圖5(a)和圖5(b)所示分別為不同溫度下ln(I/E)?E1/2關系以及相應的電流斜率.可以看出,ln(I/E)?E1/2數據滿足很好的線性依賴關系, 相應的電流斜率與理論值非常接近, 其激活能約為2.64 × 10—4eV, 與理論值一致.因此, 在低偏壓下的電流應主要為FP 發射電流.

實驗表明, 位錯是GaN 器件反向漏電流的主要輸運通道[20,21].圖6(a)所示為可導位錯的物理模型: 1)位錯整體為電中性; 2) Ga 空位居于位錯中心, 為深能級受主態, 捕獲電子后為負電性;3)位錯周圍為ON缺陷, 為潛能級施主態, 電離后為正電性; 4)受主態獲得電子后勢壘抬高, 施主態失去電子后勢壘降低, 成為有效的局域導電通道.圖6(b)所示為FP 發射過程示意圖: 費米能級附近, 界面施主態內的電子, 在電場輔助作用下向位錯最低導帶熱發射過程.(5c)式表明, FP 電流的截距具有固定的熱激活能, 其數值即為零電場下的勢壘高度.圖7 所示為測試獲得的c(T)?q/kT關系, 數據遵循很好的線性依賴特性, 與FP 輸運模型一致.通過線性擬合獲得FP 電流的有效勢壘高度約為0.59 eV.該值遠低于熱發射電流勢壘高度2.91 eV, 進一步證明了位錯應是反向電流的主要輸運通道.

圖4 (a)不同溫度下lnI 和E1/2 關系圖; (b)電流斜率βSCFig.4.(a) The relationship between lnI and E1/2 at different temperatures; (b) the corresponding current slope βSC.

圖5 (a)在不同溫度下ln(I/E)和E1/2 的關系; (b)相應的斜率βFPFig.5.(a) The relationship between ln(I/E) and E1/2 at different temperatures; (b) the corresponding current slope βFP.

圖6 (a) GaN 中可導位錯模型示意圖; (b) FP 發射電流輸運過程示意圖Fig.6.(a) Schematic band diagram of the conductive dislocations in GaN; (b) schematic transport process of the FP emission current.

圖8 (a)所示為變溫的高頻C-V曲線.可以看到, 隨T從300 K 升高至500 K, 器件的夾斷電壓向正方向移動, 由—6.4 V 逐漸增大至—6 V.如圖8(b)黑色數據.此時, 所對應的飽和電場可近似表示為

圖7 c(T)和q/kT 的關系Fig.7.The relationship between c(T) and q/kT.

式中E0為V= 0 V 的極化電場,d≈ 18 nm 為勢壘層厚度.圖8(b)右軸所示為電場與溫度關系, 表明隨T從300 K 增加至500 K,Epin?off從6.27 MV/cm減小至6.05 MV/cm.因此, 高壓區電流的負溫度系數可歸因于飽和電場的減小.

進而, 2 DEG 耗盡之后的E?V關系可寫為

式中Nd≈ 5 × 1015cm—3為體GaN 的施主濃度.在強反向偏壓下, 勢壘層表面形成寬度很窄的三角勢壘, 電子極易發生FN 隧穿[13], 形成FN 隧穿電流

式中mn*為電子有效質量,qφFN為有效隧穿勢壘高度,h為普朗克常量.

圖8 (a)在不同溫度下的C-V 曲線; (b)不同夾斷電壓所對應的電場關系Fig.8.(a) The C-V curves measured at different tempratures; (b) the corresponding electric field with different pinch?off voltages.

圖9 (a)不同溫度下ln(I/E2)和E—1 關系圖; (b) FN 隧穿有效勢壘高度隨溫度的變化Fig.9.(a) The relationship between ln(I/E2) and E—1 at different temperatures; (b) the effective barrier height extracted based on FN tunneling model.

圖10 (a) FN 隧穿電流輸運示意圖; (b) EL mapping 圖(V = —14 V)Fig.10.(a) The schematic diagram of FN tunneling process; (b) the EL mapping image at V = —14 V.

圖9 (a)所示為不同溫度下的ln(I/E2)—E—1關系.可以看到, 數據滿足很好的線性關系, 且電流斜率基本不隨溫度改變, 與FN 隧穿特性一致.根據(8b)式, 有效勢壘高度與電流斜率的關系可寫為

圖9(b)所示為隧穿勢壘高度對溫度的關系,表明勢壘高度約為0.6 eV, 為溫度的弱函數.該值與之前FP 發射得到的結果一致, 表明位錯依然是FN 隧穿電流的主要漏電通道.因此, 高偏壓下的電流輸運機制應為位錯相關的FN 隧穿.圖10(a)所示為FN 隧穿的具體過程.圖10(b)所示為V=—14 V 時的電致發光空間分布圖 (EL mapping).注意到, “熱點”主要分布在肖特基電極邊緣的高電場區, 并且分布是不均的.其中的“熱點”主要來源于FN 隧穿后高能熱電子在異質結界面釋放的多余能量, 很好地證明了FN 隧穿的存在.

4 結 論

晶格匹配In0.17Al0.83N/GaN 異質結肖特基接觸的反向漏電流具有很強的偏壓和溫度依賴特性.在低偏壓區, 電流為位錯相關的FP 機制占主導.在高偏壓區, 電流為位錯相關的FN 隧穿機制占主導.本文認為位錯邊界電離的施主態有效降低了導帶位置, 明顯降低該處肖特基勢壘, 成為有效的局域導電通道, 有效的電流勢壘高度約為0.6 eV.