（凝聚态物理专业论文）algangan肖特基二极管的设计及关键工艺研究.pdf

摘要 摘要 随着半导体材料生长技术与器件制造技术的日益进步、特别是g a n 和a 1 g a n 分子束外延生长技术的日益完善，a 1 g a n g a n 基器件在半导体行业得到广泛的应 用。然而，随着应用过程中的深入，这一类器件的弱点也逐渐暴露出来，而这些 弱点与器件的结构和制备工艺紧密相关。 本文针对a 1 g a n g a n 基器件中典型的整流器件具有高反向击穿电压的高 速金属a 1 g a n g a n 横向异质结肖特基二极管，以改进结构和优化性能为出发点， 通过理论计算指出金属a i g a n g a n 横向异质结肖特基二极管中存在电流集边效 应，并讨论了这一效应导致的温度分布差异以及由此而来的电流、温度正反馈直 至最后器件失效等危害。首次提出了采用多晶硅层的方法来有效地缓解电流集边 效应，改善了金属a 1 g a n g a n 横向异质结肖特基二极管的电流均匀性。 对自行研制的高密度等离子体增强化学气相淀积( p e c v d ) 和反应离子刻蚀 ( r i e ) 系统的磁场进行优化设计，这一设计提高了制备器件掩模s i n 的沉积速 率和质量以及刻蚀速率和深宽比等。 研究了宽禁带半导体器件制备过程中的光刻，刻蚀，沉积等工艺给出了最佳 的实验参数和结果最后研究了肖特基二极管中欧姆接触和肖特基接触金属电极 的制备，并给出了比接触电阻和淀积参数。 关键字：金属a 1 g a n g a n 横向异质结肖特基二极管，电流集边效应，磁场 辅助等离子体增强化学气相淀积，反应离子刻蚀 a b s t r a c t a b s t r a c t n a m e ：c h e ndia r o n g ( c o n d e n s e dm a t t e rp h y sic s ) dir e c t e db yp r o f e s s o r w a n gy u q a st h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g i e si nm a t e r i a lg r o w t ho fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s a n dt h ef a b r i c a t i o no fd e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h ei m p r o v e m e n to ft h em o l e c u l eb e a m e p i t a x y ( m b e ) g r o w i n gt e c h n i q u eo fg a na n da i g a n ，t h ea i g a n g a n b a s e d d e v i c e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e s ea p p l i c a t i o n s ，h o w e v e r , t h el i m i t a t i o n sa s s o c i a t e dw i t ht h eu no p t i m a ld e s i g n e d l a t e r a ld e v i c es t r u c t u r e sb e c o m em o r ea n dm o r ec l e a r t h e s el i m i t a t i o n sc a l lb e r e l a x e db yo p t i m i z i n gb o t hd e v i c el a t e r a la n dv e r t i c a ls t r u c t u r ed e s i g n 。 t h i st h e s i si sf o c u s e do no n eo ft h ea i g a n g a n b a s e dd e v i c e s ，t h e t y p i c a l r e c t i f y i n gd e v i c e - - m e t a l a 1 g a n g a nl a t e r a lh e t e r o s t r u c t u r es c h o t t k yd i o d ew i t h h i g hr e v e r s eb r e a k t h r o u g h v o l t a g e t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i sw i l lf o c u so nt h e i m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r ea n do p t i m i z a t i o no ft h ed e v i c ep e r f o r m a n c e t h ec u 玎e n t c r o w d i n ge f f e c ti sp o i n t e do u ti nt h e m e t a l a i g a n g a nl a t e r a lh e t e r o s t r u c t u r e s c h o t t k y d i o d e b y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e sa n d s u b s e q u e n t l yt h ee l e c t r i cc u r r e n ta n dt e m p e r a t u r ep o s i t i v ef e e d b a c ke f f e c ta n dt h e f i n a l l yt h ef a i l u r eo ft h ed e v i c ea r ea l s od i s c u s s e d am e t h o du s i n gp o l y s i l i c o nl a y e r i sp r o p o s e dt or e d u c et h ec u r r e n tc r o w d i n ge f f e c te f f e c t i v e l y t h i sm e t h o de l i m i n a t e s o n eo ft h eu n d e r m i n i n gp r o b l e m sa b o u tt h ep e r f o r m a n c ei nt h em e t a l a i g a n g a n l a t e r a lh e t e r o s t r u c t u r es c h o t t k yd i o d e t h es e c o n dp a r to ft h et h e s i sw i l lf o c u so nt h eo p t i m i z i n gd e s i g no f m a g n e t i c a l l y e n h a n c e dp l a s m at e c h n o l o g yi nf i l md e p o s i t i o na n dm a t e r i a le t c h i n g a ni m p r o v e d d e s i g n i n g i sr e a l i z e d b yt h ei n t r o d u c i n gv e r yu n i f o r m m a g n e t i c f i e l dt oa p l a s m a 。e n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p e c v d ) s y s t e ma n dar e a c t i v e i o n e t c h i n g ( r i e ) s y s t e m t h i sd e s g n i n ge n h a n c e st h ed e p o s i t i o nr a t eo fs i nf i l ma n di t s q u a l i t y , t h ee t c h i n gr a t eo fr i e ，a n dt h ea s p e c tr a t i o i i i a b s t r a c t t h ed e v i c ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sp h o t o l i t h o g r a p h y , e t c h i n ga n d d e p o s i t i o np r o c e s s e si nw i d e b a n d g a ps e m i c o n d u c t o rd e v i c em a n u f a c t u r i n ga r ea l s o d i s c u s s e d t h eo p t i m a le x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r sa n dr e s u l t sa r er e p o r t e d t h e f a b r i c a t i o no fo h m i cc o n t a c ta n ds c h o t t k yc o n t a c ti nt h i sk i n do fs c h o t t k yd i o d ei s s t u d i e da n dt h es p e c i f i cc o n t a c tr e s i s t i v i t ya n dt h ed e p o s i t i o np a r a m e t e r sa r ea l s o p r o v i d e d k e yw o r d s ：m e t a l a 1 g a n g a nl a t e r a lh e t e r o s t r u c t u r es c h o t t k yd i o d e ，c u r r e n t c r o w d i n ge f f e c t ，m a g n e t i cf i e l da s s i s t e dp l a s m ae n h a n c e dc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， r e a c t i v ei o ne t c h i n g i v 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单 位。 本人签名： 隘基基日期：丝妇。，地 第一i 绪论 第一章绪论 摘要 本章概述了i i iv 族半导体g a n 、a 1 g a n 材料的结构和基本性质，讲 述了a 1 g a n g a n 器件的发展现状、列举了几种广为应用的金属m g o n c a n 器件。 1g a n 材料的结构和性质 1 11g a n 材料的结构 在1 1 i v 族二元化合物中，如果两种元素的电负性相差较大，则化台物倾 向于形成纤锌矿结构( 六方相) ，反之如果两种元素的电负性相差较小，则化 台物倾向于形成闪锌矿结构( 立方相) 。对于g a n ，有纤锌矿和闲锌矿两种结构， 如图11 所示。 酶鬻 例l1 纤锌矿结构( 左) 和闪锌矿结构( 右) 的g a n 在应用m b e ( 分子束外延) 生长g a n 时通常以蓝宝石( a , n ) 为衬底， 这种生长条件下的g a n 具有六方对称性的纤锌矿结构。而在运用h v p e ( 氢化物 气相外延) 生长g a n 时，通常以预先生长好的一薄层六方的g a n 作为村底，由此 生长成的g a n 也具有纤锌矿结构。不仅由于纤锌矿结构的g a n 容易制备而且由 于它缺少中心对称性，表现出明显的压电性质，这在半导体器件研究中得到广泛 的应用。因此。人们对g 削研究的重，t b 偏向于纤锌矿结构的g a n 材料。在下文中， 除了特别注明，使用的均为纤锌矿结构的g a n 。每个g a n 元胞内古有4 个原于。 i12g a n 材料的性质 i ) g a n 材料的物理性质概览 g a n 在常温下物理性质稳定，是坚硬的高熔点材料熔点约为1 7 0 0 ( 2 1 a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 表1 1 给出了g a n 、s i 、g a a s 三种半导体材料的物理常数比较。 表1 1g a n 与s i 、g a a s 等宽禁带半导体材料的特性比较 2 g a ng a a ss i 晶体结构纤锌矿结构闪锌矿结构金刚石结构 禁带宽度( e v ) 3 4 71 4 31 1 2 最大电子迁移率 (3 0 0 k ， 1 0 0 08 5 0 01 4 0 0 伽2 v 一j 一1 ) 最大空穴迁移率 (3 0 0 k，3 5 04 0 04 5 0 c m 2 v s 一1 ) 熔点( o c ) 2 5 0 01 2 4 0 1 4 1 2 比热( d g oc ) o 4 90 3 30 7 热导( 3 0 0 k ， w 伽一oc ) 1 3 o 5 51 3 相对介电常数 8 91 0 91 1 7 极化自发极化和压电无无 极化 从g a n 和g a a s 、s i 等材料的物理性质的比较中我们看到，g a n 具有如下突出的性质： 禁带宽、热导率高、具有自发极化和压电极化等。这些优良性质使g a n 材料广泛 应用于大功率器件。1 3 节将着重介绍g a n 为衬底的器件的重要应用和发展前景。 2 ) g a n 的化学性质 g a n 在室温下化学性质非常稳定，不溶于水、酸和碱溶液( n a o h ，k o h ) 。 利用g a n 的耐腐蚀性，人们可以在常温下，用酸液和双氧水的混合溶液去除g a n 表面的氧化层，而不容易腐蚀g a n 的表面，这一点在g a n 器件的清洗工艺中尤为 重要。采用融熔n a o h 、k o h 或其热碱溶液( 或混合溶液) ，以及热h ：s 0 4 、h 。p 0 。 酸性溶液及混合溶液都能较快地腐蚀g a n 单晶，亦可用于g a n 晶体的缺陷检测。 2 第一章绪论 g a n 在h c l 或h ：下，在高温下呈现不稳定特性，而在n ：保护下却相对稳定，这一 性质是采用h v p e 生长g a n 所必须考虑到的。 3 ) g a n 的电学特性 g a n 电学性质是人们关注的主要因素。据报道，g a n 在室温下的电子迁移率 可达到1 2 6 0 c m 2 v s 3 ，它具有很高的电子饱和速度，并受掺杂浓度影响不大， 外加场强为1 8 0 k v c m 时的饱和电子速度为2 5 1 0 7 c m s 4 。在很宽的场强范 围内，直到1 0 1 2 h z 频率下，它的迁移率和介电常数基本保持不变，这对制作微波 器件非常有利。g a n 大的禁带宽度使得在很大温度范围内本征载流子浓度很低， 这一性质使得它尤其在光探测器和高温电子器件中具有很低的暗电流和漏电流。 g a n 的电子和空穴的有效质量比其他传统的半导体材料大，这导致它有较低的载 流子迁移率，但是很高的饱和电子漂移速率又弥补了这一不足。与其他半导体材 料相比，宽禁带i _ v 族氮化物半导体材料具有较低的折射率，这使得它在界面 处具有较低的反射率，这有利于光探测器探测效率的提高。 4 ) g a n 的光学特性 g a n 是直接带隙的半导体材料，非常适合制作光学器件，与g a n 的光学特性 相联系最紧密的是其能带结构，1 9 6 9 年m a r u s k a 和t i e t j e n 等人首次精确测量 到g a n 直接禁带宽度为3 3 9 e v 5 。g a n 具有一个最低的直接能带，在布里渊区 的r 点导带有一最低点。等方向性的具有约0 2 2 的有效电子质量 6 7 ，在布 里渊区的r 点由于晶体场和轨道旋转的联合作用下导致价带顶部分裂，这种分 裂与自由激子的带间激发跃迁有关，自由激子的束缚能足够大，就可导致室温下 激子复合过程占优势，如果重掺杂或载流子注入不是很大( 1 0 1 8 伽q ) ，在室 温下是自由激子控制着g a n 的光致发光( p l ) 8 9 。 1 2a ig a n 材料 随着g a n 生长技术的日益完善，g a n 的应用也不再局限于利用g a n 材料本身， 随之而来的，出现了a 1 g a n 和i n g a n 等三元氮化物半导体材料。 a 1 g a n 材料具有与g a n 材料类似的纤锌矿结构，a 1 g a n 材料具有禁带宽，电子 漂移速度高、击穿电场强、热导率高、化学性质稳定、抗辐照等特点，所以它也 是制作高温、大功率、高频电子器件的理想材料。 3 a i g a n g a n 自特基= 极管的设计敏关键i 苎研究 -辫-y翟+。j 泓r ， o 巷h 一 第一章绪论 极化称为压电极化( 图1 3 ) 。 + a 1 6 n g t n 越g i n g t n 图1 3a i g a n g a n 的压电极化示意图 理论分析和实验结果都表明，如果晶体生长取向为g a - 极性，则压电极化方 向同自发极化方向相同，可以在异质结界面g a n 一侧生成高浓度的二维电子气 1 1 。a 1 g a n g a n 肖特基二极管和高电子迁移率晶体管就是利用异质结的这一特 性。 1 3a i g a n g a n 异质结器件 如上节所述，由于g a n 和a i g a n 所具有的宽的带隙和高的临界击穿场强，良 好的电子输运特性和导热特性，特别适合应用于高温大功率电子器件；g a n 和 a l x g a , 一，n 都是直接带隙半导体，它们在光学器件方面也应用甚广。以g a n 和 a i g a n 等材料制作的器件主要包括：金属a i g a n g a n 异质结肖特基二极管、 a i g a n g a n 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 、g a n 基异质结场效应晶体管( h f e t ) ， g a n 基双极型异质结晶体管( h b t ) ，以及一些蓝光和紫外激光器和光电探测器 等。前三类器件主要利用的是a 1 g a n 与g a n 异质结界面处形成的高浓度二维电子 气，而g a n 应用于光电器件主要利用的是它的直接带隙和大的禁带宽度。本节主 要介绍肖特基二极管和与之结构相似的高电子迁移率晶体管器件。 1 3 1 金属a i g a n g a n 肖特基二极管简介 金属一半导体接触的肖特基二极管之所以能够取代传统的p - n 结二极管，是 5 a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 由于它具有更低的阈值电压和更快的响应频率，究其原因是由于肖特基二极管中 多数载流子导电。金属a 1 g a n g a n 接触的肖特基二极管分为纵向肖特基二极管 与横向肖特基二极管两种，其结构示意图分别如图1 4 ( a ) 和1 4 ( b ) 所示： s c h o t t k yc o n t a c t b u l kg a n o h m i cc o n t ac t 金属g a n 纵向肖特基二极管 y a n o d e c a t h o d e c a p m e t a l i c a pm e t a l d c o h m i cc o n t a c t s c h t t t k y m e t a l 叫h n m e t a l i ，a 1 ca n 2 d e g g a n s a p p i r e ( a ) 纵向结构的二极管( b ) 横向结构的二极管 图1 4 金属么，g c w q 洲异质结肖特基二极管结构示意图 从图1 4 中看出，两者结构上的差别在于纵向肖特基二极管的欧姆接触从 g a n 的背面引出，而横向肖特基二极管的欧姆接触从g a n 的侧边引出。 目前，广为应用的是横向结构的二极管，与纵向结构的二极管相比，它具有 a 1 g a n g a n 异质结二维电子气结构，具有更低的正向压降和更高的反向击穿电压 1 2 1 3 1 4 。而且横向结构的二极管的引线从衬底的同一侧引出，在工艺上更 容易实现。如何降低金属g a n 二极管的反向漏电流是人们目前研究这类二极管 的一个前沿，目前人们采用k o h 溶液腐蚀g a n 的方法将g a n 的漏电流降低了两个 数量级，达到1 0 q a c m 2 1 5 。 1 3 2g a n 基h e m t 简介 近几年来，人们对a l g a n g a nh e m t 的研究也在飞速发展过程中。典型的非 掺杂a 1 g a n g a nh e m t 的结构示意图如图1 5 所示。 比较图1 4 ( b ) 与1 5 ，我们发现a 1 g a n g a n 横向结构的肖特基二极管与 a 1 g a n g a nh e m t 的结构极其相似，除了在h e m t 晶体管中有源极、漏极和栅极，而 在肖特基二极管中仅有正负两极。 6 第一章绪论 s g d ii i 砧g a n i - g a n g a no ra i nn u c l e a r i o n s a p p h i r eo rs ics u b s t r a t e 图1 5 a 1 g a n g a nh e m t 截面示意图 目前，人们已研制出0 1 5 t m 栅长的a i g a n g a nh e m t ，其电流增益的截止频 率后超过了1 0 0 g h z 1 6 ，与a 1 g a h s g a h s 异质结器件的频率特性相近。s i c 衬底 的a 1 g a n g a nh e m t 在1 0 g h z 频率下工作时输出功率密度为1 0 1 7 w 姗，功率附加效 率为4 0 1 7 。尽管蓝宝石衬底上的a i g a n g a nh e m t 受到散热问题的限制，在8 g h z 时输出的功率密度也能达到6 1 5 w 册，功率增益为9 1 l d b ，功率附加效率5 1 1 8 。 其它具有实用意义的a 1 g a n g a nh e m t 也相继问世和投产，人们已经研制出在6 g h z 频率脉冲下输出功率为5 1 w 的功率放大器，该器件的总栅宽为8 m m ，倒装在a i n 基 片上制成单片集成电路 1 9 。 g a n 材料的应用远不止这些。本文以横向结构的二极管的设计和关键工艺作 为主要内容，以考察g a n 基半导体电学器件的制造工艺。 1 4 本章小结 本章首先论述t g a n 和a 1 g a n 材料的结构和性质，这些性质包括：g a n 的物理 性质，化学性质，电学性质，光学性质等。突出强调了g a n 和a 1 g a n 界面的自发极 化以及压电极化性质、宽禁带和直接带隙跃迁性质，接着根据这些性质分析了 a i g a n g a n 异质结器件的应用和发展前沿。着重介绍了金属a 1 g a n g a n 异质结肖 特基二极管的结构。比较了纵向和横向两种二极管的差别。本文针对其中的横向 结构进行研究。 在后面各章节中，我们将研究金属a 1 g a n g a n 肖特基二极管中的电流集边 7 a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 效应及其缓解。并研究等离子体增强化学气相淀积系统和反应离子刻蚀系统中均 匀磁场的获得，半导体器件制备过程中的重要工艺- - s i n 掩膜的制备，光刻，刻 蚀。最后，讲述了肖特基二极管中金属电极的制备。 8 第二章低电流集边效应金属a i g a n g a n 肖特基二极管的设计 第二章低电流集边效应金属aig a n g a n 肖特基二极管的设计 摘要 本章主要研究金属a 1 g a n g a n 异质结横向肖特基二极管中的电流 集边效应，分析这一效应的危害从而在此基础上计算避免电流集边效应的二极 管正极宽度的上限，并首次提出采用多晶硅层的设计方案缓解电流集边效应。 2 1 电流集边效应的概念 在通常情况下，g a n 基肖特基二极管有两种结构横向和纵向。这两种结 构的二极管，不仅在结构上存在差别，而且在制备工艺和性能上也大有不同。对 这两种结构的二极管进行比较，横向比纵向具有如下优点：1 ) 具有较大的反向击 穿电压；2 ) 电流无需通过g a n 层，减小了二极管的串联电阻；3 ) 通过在g a n 表面生长一层a i g a n ，利用a 1 g a n g a n 界面处的二维电子气进行导电，减小器件 的响应时间。由于横向结构的肖特基二极管具有如此多的优点，所以通常所使用 的肖特基二极管的结构为：金属a 1 g a n g a n 横向结构。其结构示意图如图2 1 所示： y a n o d e c a t h o d e c a pm e t a l c a pm e t a l s c h o t t k yc o n t a c t j a 矗_ d | o h m i cc o n t a c t m e t a l m e t a l ：月( ja n - 2 d e g g a n s a p p i r e 图2 1 ，金属a i g a n g a n 横向肖特基二极管的结构示意图 如图2 1 所示的肖特基二极管的制备工艺为：首先，在蓝宝石衬底上生长厚 度为5 0 0 0 a 0 的g a n 材料，生长技术采用分子束外延，生长温度为7 5 0 。c ，生长的 9 a i g a n g a n 肖特基二极管的、设计及关键工艺研究 g a n 材料为g a 极性；然后，在g a n 衬底表面生长厚度约为2 5 0 3 5 0 a 的a 1 g a n 层。最后采用在a 1 g a n 表面进行光刻、刻蚀和淀积等技术来制备金属电极。其中， 肖特基接触的金属电极作为二极管的正极，欧姆接触的金属电极作为二极管的负 极。 当二极管工作于正向偏置时，电流从正极流入，经过肖特基结、二维电子 气、最后从欧姆接触的负极流出。由于，在电流流经二维电子气沟道时，沟道内 存在电压降( 距离负极近的一侧的电压低于远离负极一侧的电压) ，所以正极电压 在横向方向上存在差异，从而电流分布不均匀，电流集中分布于二极管正极内距 离负极较近的区域。这种由于沟道压降引起的正极电流集中于侧边缘的效应就是 电流集边效应 2 0 。 下面通过具体的计算，定量研究电流在正极内部的横向分布。 2 2 二极管内部的电流电压关系 当二极管处于正向偏置时，二极管内部电流流向如图2 2 所示： a n o d e c a t h o d e 图2 2 ，金属a l g a n g a n - 极管正极的电流分布 如图2 2 所示建立直角坐标系，取向右为工轴的正方向，x 轴的原点取在正 极内距离负极较远的一端( 图中的左端) 。 l o 第二章低电流集边效应金属a i g a n g a n 肖特基二极管的设计 2 2 1 电流守恒方程 在图2 2 所示的坐标系中，设流经正极的电流密度分布为厶，函( x ) ，二维 电子气沟道内单位长度流过的电流密度为j l ( x ) ( 电流面密度的量纲) ，由于所 有的正极电流最终都由二维电子气沟道流出二极管，沟道内的面电流密度可以看 作是对正极电流体密度的积累，所以有如下的电流守恒方程： r l 删( 工皿= 五( x ) ( 2 一1 ) 对上式求导得： ( x ) = 掣 协2 ) 2 2 2 二极管内电压的分布 结合图2 1 给出的二极管的组成结构和图2 2 给出的电流方向分析，随着 电流的流动，电势依次加在盖帽金属、肖特基接触的金属、肖特基结、a 1 g a n 层、 二维电子气、a i g a n 层、欧姆接触的金属、盖帽金属上。然而根据下面的讨论， 盖帽金属层、肖特基接触的金属层、a 1 g a n 层、欧姆接触的金属层的电压降均可 忽略。这是因为： 1 ) 金属的电阻率很小，如果考虑通过的电流密度为1 0 0 a c m 2 ，金属的厚 度为5 0 0 0 a ，金属的电阻率为1 0 脾铡 2 1 3 ，那么在金属上的分压约为 5 x 1 0 _ 8 矿，因此可以忽略不计。 2 ) 由于a 1 g a n 与g a n 之间存在晶格常数的失配，a 1 g a n 通常很薄。考虑a 1 g a n 的厚度为2 5 - - 3 5 n m ，在这么短的范围之内，假定电子还来不及与a 1 g a n 的晶格 发生碰撞就已经越过a 1 g a n 的势垒，a i g a n 层的电阻率也因此忽略不计。 3 ) 因为电压主要加在肖特基结和二维电子气沟道上，所以有： 乙叫= y ( x ) + k ( z ) ( 2 3 ) 对上式两边求导得： 坐盟+ 垡鳖型盟：o( 2 4 ) a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 根据肖特基接触的整流理论，加在肖特基结上的电压v ( x ) 与电流密度 删( x ) 的关系为： 以( z ) = 字唧( 一盟k o r j l r t , 唧r t , 业, , k 型o r - 1 c 2 埘 式中，号竺为理查森常数，九为肖特基势垒高度，以为肖特基势垒的 理想因子，用来衡量由于镜像力和隧道效应引起的肖特基接触势垒高度的降低j 由于电流集边效应普遍存在于金属a l g a n g a n 异质结横向肖特基一i 极管中，在 后面的计算中，均以金属n 为例 2 2 2 3 ，其肖特基势垒高度为1 0 4 e v ，理想 因子为1 0 5 。 电子气沟道上的电压降d 脚可以通过欧姆定律确定： 删( 工) = i d t h 止( 工) 岛( x ) 出 ( 2 6 ) 对上式求导得： 丝掣：一九( x ) ( x ) ( 2 - 7 ) 豇x 其中w i d t h 是二极管的正极宽度，( x ) 是二维电子气沟道的方块电阻： 岛( x ) = e l x 以：d e g ( x ) ( 2 8 ) 式中n 2 脚( x ) 为二维电子气的面密度。联立( 2 4 ) 与( 2 - - 7 ) 可得， a v ( x ) ：九( x ) ( 工) (29，dx 一上一、，u 、， 根据这一节介绍的电流、电压关系式，在下一节给出数值解的算法描述。 2 2 3 二维电子气密度随肖特基结电压的变化 1 2 第二章低电流集边效应金属a i g a n g a n 肖特基二极管的设计 图2 3 ，金属a i g a n g a n 肖特基异质结器件的能带图 图中，吼是金属与彳z g 洲接触的肖特基势垒，疋。是a l g a n 的导带边，疋： 是g 州的导带边。e ，是从g a n 导带底计算起的费米能级，皈是a l g a n g 洲 的导带差。结合此能带图，人们把a i g a n 势垒层看作是平行板电容，a i g a n g a n 界面附近的二维电子气浓度相当于界面处固有的浓度( 固有项) 加上金属与a i g a n 肖特基接触造成的a i g a n的电势差引起的电子浓度( 电容充电引起) 之和，可 以近似表示为 2 4 ： 他脚= o e - 6 0 e l d a z g 州e 2 】【晚+ 乓一峨】 ( 2 1 0 ) 其中，仃是在不加外电压而且不加金属接触之前，纯粹眭i a l g a n g a n 的自发极化 和压电效应造成的二维电子气电荷密度 2 5 ，是a 1 g a n 和g a n 固有的常数；占是 a 1 g a n 的介电常数；d a 删是a 1 g a n 层的厚度；唬是a 1 g a n 与金属接触的势垒高度； 露是从g a n 导带边算起的费米能级；峨是a 1 g a n 与g a n 之间的导带差。 根据这一电容模型，外加一正电压无非是在原来的基础上，再加一个给电容充电 的电压v ( x ) ，因此，在外电压下( 2 1 0 ) 变为： n 2 d 髓= t r l e 一 岛占以删p 2 】 p 唬+ 毋一疋一y ( 工) 】 ( 2 1 1 ) 上式中，需要计算的是b 的值，根据假设， 砟= 岛+ 砌2 m 】刀2 脚 ( 2 1 2 ) a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 其中，晶是从a 1 g a n 与g a n 异质结界面附近的三角阱底算起的基态能量，由下式 决定： 一 希警 浯 结合( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 - 1 3 ) ，二维电子气浓度随外加电压的变化规律可 以自洽地求出惕d 船与v ( x ) 的关系式，表示为： 伤聊= ( 矿( x ) ) ( 2 1 4 ) 由于采用数值方法，计算过程中( 2 - 1 4 ) 实际上是两列一一对应的数据。联立 ( 2 - 2 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 4 ) ，可以迭代地解出正极电流密度的分 布图。这在下一节里，我们讲着重讨论。 2 3 电流集边效应的算法描述和计算结果 2 3 1 计算方法描述 计算过程采用数值计算的有限差分方法。 坐标系的选取如图2 2 所示。 令葺= x o + i xa x ，其中，缸为x 每步的步长，丐为计算第f 步时的点到原点的距 离。 1 从正极左侧算起，先假定加在器件左侧肖特基结上的电压为：某一个值 v ( x o = 0 ) = v o ， 2 将y ( 再) 代入( 2 5 ) 计算七忙( 而) ， 3 将厶据( x ) 代入 ( 2 2 )的差分形式中，计算 矗( x 1 + i ) = 无( ) + k ( ) 缸， 4 将矿( x ) 代入( 2 1 4 ) 计算，1 2 脚( x ) = ( y ( x ) ) 5 将九( z ) 和，1 2 脚代入( 2 9 ) 计算y ( 五十。) = y ( _ ) + 庇( 薯) 局( 而) 缸 6 重复步骤2 4 的计算，即可逐次计算出每个一对应的y ( 西) ，凡( 五) 1 4 第二章低电流集边效应金属a 1 g a n g a n 肖特基二极管的设计 矗船( 而) ，此即数值上y ( x ) 、五( x ) 、厶括( x ) 随石的分布。 2 3 2 计算结果分析电流集边效应的定量描述 对于彳，含量为0 2 5 的a i g a n ，取迁移率为1 0 0 0 c m 2 v s ，计算得到的电流 密度随位置x 的分布如图2 4 所示： p o s i t i o nxi nt h ed i o d ea n o d e ( p m ) 图2 4 ，不同平均电流大小时，电流密度随正极横向坐标x 的分布 其中a i g a n 中a 1 的含量为0 2 5 此图横轴是图2 2 所示的z 轴，也即沿着沟道方向的x 轴，纵轴是正极电流 密度。从图中可以看出：1 ) 通过正极的平均电流密度越大，电流分布越不均匀， 电流集边效应也就越明显。平均电流密度越大，意味着通过二极管的电流越大， 然而金属a i g a n g a n 肖特基二极管主要应用于大功率的整流部件中，往往需要 通过大电流，因此电流集边效应在这类二极管中比较常见。 2 ) 越往正极右侧的地方，电流密度越大。事实上，如图2 4 所示正极内平 均电流密度为3 9 2 3 a c m 2 时，9 小宽的正极内电流已经很不均匀了。这样，一 方面，正极左侧大量的面积没有合理地用于导电；另一方面，又有可能造成右侧 的电流密度太高，局部发热可能很严重 2 6 。由于a l g a n g a n 异质结器件本身 就是工作在某一温区，这样的局域发热对器件的工作性能已有一定的影响；加之 1 5 0 0 0 0 0 o 0 0 0 o o 0 0 0 o 0 ；2阳晒：8帖蚰筋如12伯5 一。i-亡o、一一一。pcvuvx是coq_cej130刁oc a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 由于器件的局部加热引起的温度升高，将进一步加剧电极边缘局域的电流密度， 单位时间发热量更大，引起温度的进一步升高和电流密度的进一步加大，因此正 反馈过程将引起器件的热损坏。 为了避免电流集边效应，下面两节将讨论缓解电流集边效应的措施。 2 4 二极管正极宽度的选取 从图2 4 看出，对于9 1 a m 的正极宽度，电流集边效应已经相当的明显，如 果正极宽度进一步加宽，将造成流过正极右侧的电流远远多于流过正极左侧的电 流，电流集边效应将更加严重，所以合理地控制正极宽度是缓解电流集边效应的 首要解决方法。 为了限制电流集边效应，应对正极宽度有所限制。为此，提出的限制条件 是： 可j g n t e ( r i g h t ) 罩一o叱芑_coo uljl3ci 第口章月a i g a n g a n = 板管套腿 u 极的制备 办法，这里我们采用溅射的方法在6 08 0 。c 的温度f 进行。溅射的靶材是 9 9 9 9 9 的t l 靶，茸径为5 0 r v z ；溅射台的电源采用直流电源，t i 靶接电源的负 极，装载器件的衬底接地，靶材背而通过水冷维持温度；溅射过程中反应室内通 以ar 和m ，a r 和m 的比例作为实验的参数，进行一系列的变化，a f 作为工作 气体产生辉光放电，产生等离子体轰击t i 靶，激活t i ，与电离的1 反应生 成的t i n 淀积在衬底上形成均匀的薄膜。这是t i n 淀积的原理。 为了让更多的等离子体集中在r i 靶表面固定靶材的衬底背面加以磁铁( 图 44 ) ，该磁铁产生的磁场让更多的离子和电子束缚于靶材表面的空间内，等离子 体密度增加，因而轰击靶材的几率增大，单位时间内形成t i n 的数量增大，因此 加上承磁铁于靶材背面，可以增大t i n 的淀积速率。 图44 溅射系统的磁铁位置 422t i n 的淀积工艺 在实验中，我们保持反应室内的压强为2 0 p a ，在此基础上调节氮气与氩气的 比例，其它实验参数已在上文给出。淀积的t i n 薄膜的厚度在s e m 下测得，从而 算出淀积速率随氨气和氧气的比例关系如图45 所示。 a i g a n g a n 肖特基二极管的设计及关键工艺研究 f l u xr a t i oo fn i t r o g e no v e ra r g o n 图4 5t i n 的淀积速率随氮气：氩气流量比例的变化 从图4 5 看出，当氮气的流量超过氩气的流量时，几乎没有t i n 淀积在表面，其 可能的原因是：由于氮气难电离，它的离解需要a r 等离子体的辅助轰击，此时 氮气过多，大量消耗反应室内的氩气，导致氩气对t i 靶的轰击显著减少。少量 的t i 在未到达衬底表面已经由高抽速的分子泵抽走，因而此时t i n 的淀积速率 几乎为零。当氮气与氩气的流量比小于1 之后，淀积速率开始逐步上升。然而当 氮气与氩气的流量比超过1 ：4 以后，氩气过多地消耗电离自身所需的射频功率， 导致射频功率对氮气的电离减少，淀积的薄膜可能是t i 而不是t i n 。 4 3 本章小结 本章主要介绍了二极管制备工艺中o h m i cc o n t a c t 金属和s c h o t t k yc o n t a c t 金属电极的制备，包括金属电极材料的选取，实验手段的研究、退火工艺的概述 等，最后给出了o h m i cc o n t a c t 的比接触电阻和t i n 的淀积参数。 一c!i七、ec)q_可芷co；一oqo 第五章总结与展望 第五章总结与展望 本文针对i i i - n 族半导体器件中的一个热点具有高反向击穿电压的金 属a 1 g a n g a n 异质结横向肖特基二极管，从器件设计和制备两个角度分析了器 件的工作原理和性能，通过计算a 1 g a n g a n 界面处的二维电子气浓度，并综合考 虑器件内部各个部分的电压和电流分布情况，指出了二极管的正极内部存在电流 集边效应。为了缓解这一效应，提出了这一横向结构二极管的优化设计，并给出 了优化前后正极电流密度的分布图。通过比较看出，加入多晶硅层有效地缓解了 电流集边效应。而后根据这一优化设计，总结了二极管制备的工艺流程，分析了 各个主要流程的工艺参数，包括掩模的淀积、光刻、刻蚀等工艺。其中着重突出 了磁场辅助等离子体增强化学气相淀积( p e c v d ) 和反应离子刻蚀( r i e ) 系统的 磁场设计。磁场的均匀性由理论和实验结果得以验证。并且讨论了磁场强度对淀 积和刻蚀工艺的影响。此外，通过扫描电镜得到的表面图像和刻蚀速率等实验结 果，分析了保证工艺质量和提高反应速率的掩模淀积和刻蚀的最佳参数。在这些 淀积