横向极性结构GaN肖特基势垒二极管

宁波材料技术与工程研究所和中国科学院大学报告了一种高性能的准垂直氮化镓肖特基势垒二极管（SBD），该二极管使用横向极性结构（LPS），具有由N极材料包围的III极有源区。[Yijun Dai et al, Appl. Phys. Lett. v123, p252110, 2023]

由此产生的器件在高达290V击穿电压的反向偏压下具有较高导通/关断电流比（107）和较低漏电流。与横向器件相比，垂直GaN SBD的导通电压较低，开关速度较快。

SBD的横向极性结构材料生长在0.5°倾斜（0001）蓝宝石上（图1）。III极有源区生长在圆形图案化氮化铝（AlN）成核层上。N极材料生长在裸蓝宝石上。金属有机化学气相沉积（MOCVD）层序包括3μm缓冲层、2μm n+-GaN电流扩散层、3μm n--GaN漂移层。

图1：基于横向极性结构平台的准垂直GaN SBD工艺方案。

制作开始时，使用镍硬掩膜对N极区进行等离子蚀刻，直至电流扩散层。这避免了湿法蚀刻容易出现的六角丘状粗糙N极表面。使用电子束蒸发法沉积了由钛/铝/镍/金组成的欧姆环接触阴极，并使其在氮气中退火。

在85℃温度下，用四甲基氢氧化铵（TMAH）碱性溶液选择性蚀刻掉Ga极有源区周围的N极护套，持续时间为20分钟，从而暴露出III极台面侧壁。碱性溶液中的OH-离子与表面氮原子的悬空键相互作用，形成氨气（NH3）并破坏N极材料。相比之下，Ga极表面的氮原子被埋藏起来，OH-离子不易进入。

沉积在漂移层上的肖特基阳极接触由镍/金组成。阳极金属接触的半径为100μm，而台面的半径为110μm。制作参考SBD只用到了等离子蚀刻技术，但其接触结构相同。

与参考器件相比，横向极性结构SBD的导通/关断电流比为107，反向漏电流降低了两个数量级。横向极性结构SBD和参考SBD的理想因子分别为1.03和1.09。

研究团队评论道：“横向极性结构SBD的理想因子较低，表明与缺陷有关的漏电流路径和复合中心受到了强有力的抑制，而这两点通常是造成GaN二极管非理想特性的原因。”

横向极性结构SBD和参考SBD的导通电压分别为0.5V和0.6V。横向极性结构SBD在差分比导通电阻（Ron）上的表现不如参考SBD：横向极性结构SBD为6.5 mΩ-cm2，而参考SBD为2.1 mΩ-cm2。

研究人员解释了这一差异：“横向极性结构SBD的Ron值较高，可归因于欧姆接触下方N极域的底切和湿蚀刻。”

使用随温度变化的测量值提取肖特基势垒高度：横向极性结构SBD的肖特基势垒高度为0.82eV。

横向极性结构SBD的击穿电压（BV）比参考器件高200V：横向极性结构SBD的击穿电压为290V，而参考SBD的击穿电压为90V（图2）。横向极性结构SBD的峰值电场约为2.1 MV/cm。在90V电压下，横向极性结构SBD的反向漏电流比参考SBD（1 A/cm2）小四个数量级。

图2：（a）参考SBD和横向极性结构SBD的离态击穿特性。（b）横向极性结构SBD及其他报告器件的Ron基准与击穿电压的相对关系。

要进一步提高击穿电压，必须解决与缺陷辅助隧穿（TAT）和可变范围跳变（VRH）相关的漏电流问题。研究团队表示，反过来，要抑制这些机制，必须减少有源GaN外延层中的穿透位错，因为这类位错可能成为横向极性结构SBD提高击穿电压的瓶颈。

来源：雅时化合物半导体

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。