【《肖特基二极管的制备及其电学表现分析》5900字】

PAGE63目录 1 1 1 1 1 1 1 1 1肖特基势垒二极管，是由一种由半导体和金属接触而形成的器件，结构较为简单，是一种单极性器件。相对于PN结二极管来说，它有着更短的反向恢复时间和更低的通态电压，在电源转换、RF电路中有着广泛的应用。而氧化镓作为第四代半导体材料，相对于硅基器件，有着更大的禁带宽度和更高的理论击穿电场。相比之下，氧化镓功率肖特基二极管，有着更大的功率输出，更低的损耗。并且，目前国内外对于氧化镓肖特基二极管热稳定性的研究较少，因此本章节详细论述了有关肖特基二极管的理论基础，相关电学参数的提取方法。并介绍了氧化镓横向肖特基二极管的制备工艺，并进行了相关电学测试，最后研究了退火对于器件电学性质的影响。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11（a）氧化镓图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11（a）氧化镓SBD结构图（b）氧化镓SBD版图本次实验所使用的关键设备主要包含光刻设备和磁控溅射设备。下面分别介绍这两种设备。1）接触式光刻机光刻工艺是为了将我们在掩膜版上设计的器件图案转移到氧化镓的晶圆上。本次实验采用的设备为接触式曝光机。如图3.2所示。图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12接触式光刻机外观图图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13光刻工艺的一般步骤2）磁控溅射设备图STYLEREF1\s3.图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14磁控溅射设备图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15溅射设备操作示意图氧化镓肖特基二极管的关键制备工艺主要包含氧化镓衬底的清洗、第一次光刻、沉积金属制备欧姆接触、套刻、沉积金属制备肖特基接触。如图3.6所示，展示了该器件的标准的制备工艺。具体来讲分为以下八步来进行：使用乙醇、丙酮分别进行有机物清洗，这一步骤的目的主要是为了清洗掉表面的有机物。使用双氧水（H2O2）和浓硫酸（H2SO4）的混合液清洗5分钟，这一步骤主要是借鉴了碳化硅RCA清洗步骤中的酸清洗，研究也表明经过双氧水（H2O2）和浓硫酸（H2SO4）的混合液之后，氧化镓表面的缺陷降低，且表面粗糙度得到了降低。涂胶；曝光；显影。其中所使用的旋涂机的转速为6000转/秒，曝光时间为1.5s，显影时间为30s。沉积Ti/Au（20nm/100nm）金属作为欧姆接触。本步骤所使用的设备为3.3节所介绍的磁控设备。Lift-off脱胶。套刻。其中所使用的旋涂机的转速为6000转/秒，曝光时间为4.5s，显影时间为70s。沉积Au（100nm）金属作为肖特基接触。图STYLEREF1\s3图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16Ga2O3Schottky制备工艺流程图上一节主要介绍了氧化镓肖特基二极管的制备工艺，本小节主要介绍肖特基二极管主要电学参数的提取，主要包含肖特基势垒高度（SBH），理想因子（n），开关比等。在第二章节，已经阐述了肖特基二极管的正向和反向特性，根据公式（2.6）变形，则得到：q（3.1）根据公式（2.5），则得到：n=q/kT（3.2）在测试得到肖特基二极管的正向I-V特性之后，画出log(J)~V图，通过拟合直线，提取到斜率，通过（3.2）式计算出理想因子；根据截距，得到饱和电流后通过（3.1）式得到势垒高度SBH。图STYLEREF1\s3图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17Ga2O3Schottkydiode的I-V曲线图如3.7左图所示，展示了Ga2O3肖特基二极管的I-V特性。常温下，该器件表现出明显的肖特基二极管正向导通特性，经过对数化电流坐标后，如图3.7右图所示，该肖特基二极管的正向的面积电流取得了较大的值，超过了1kA/cm2，而漏电流低于1×10-6A/cm2，开关比达到1×109以上，满足了对于器件开断的要求，同时得到了较高的输出电流密度。该器件不仅保持了低的漏电流，还有着较高的输出电流，获得了较好的性能。Liu等人[73]制备了Au/Ga2O3SBD，结果表明，该结构的反向漏电低于1×10-9A/cm2，而最大导通电流则低于1×10-5A/cm-3，导致较差的开关比。经过电容-电压测量的结果，他们提取到氧化镓体内离化的施主浓度高达4×1018cm-3，他们推测这可能是由于串联电阻的影响，进而导致了较低的输出电流。Jiang等人[74]通过电子束蒸发方法（ElectronBeamEvaporation）沉积了Au在Ga2O3制备了肖特基结，器件的漏电流低于1×10-9A/cm2，然而最大导通电流则低于10A/cm2。根据热离子发射模型，该器件所提取得到的SBH和n分别为1.37eV和1.32。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18Ga2O图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18Ga2O3Schottkydiode的I-V特性一般来讲，理想因子n表示肖特基结的电流导电机制与热电子发射理论的偏差。肖特基二极管可能的导电机制分别有：热电子发射电流模型（TEmodel）、场发射模型（FEmodel）以及热离子场发射模型（TFEmodel）。对于金属和轻掺杂半导体的接触，电流机制应当是TEmodel，如图3.9（a）所示，主要是电子热激发跃过形成的势垒；而对于中掺杂的半导体，则属于热离子场发射机制，主要是电子被热激发穿过势垒，如图3.9（b）所示；而对于重掺杂的半导体来说，则主要是场发射模型，此时的势垒宽度足够的窄以至于半导体导带底部的电子可以隧穿到金属，如图3.9（c）所示。为了得到肖特基器件导通电流适用于哪一种模型，可以考虑通过特征能量E00来区分：E（3.3）图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19肖特基电流发射模型其中，N为半导体掺杂浓度，m图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19肖特基电流发射模型不仅如此，SBD中的少子电流的影响有时也是不可忽视的。甚至有时可能会成为主要的导电机制。半导体内的电子浓度和其表面处的电子浓度差异引起其内部的电子向外部的扩散，进而形成平衡状态。如果在SBD的阳极偏置为正向电压，则会增加扩散现象，而削弱内建电场，此时电子扩散流向半导体表面。电子和空穴是相对的，电子的耗尽层即为空穴的积累层，由于半导体表面处的空穴浓度和电子浓度相反，因此空穴的浓度差也将会因此扩散形成电流，与电子电流相加形成总的正向电流，而空穴电流的大小理论上则决定于它的浓度大小和空穴（少子）注入效率。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s110200°C退火对于Ga2O3图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s110200°C退火对于Ga2O3Schottkydiode电学特性的影响如图3.10所示，在经过200°C的退火（氮气，10分钟）后，器件的正向导通电流依然超过了1kA/cm2，且漏电流低于1×10-8A/cm2，开关比达到了1×1011。经过计算，该器件的理想因子为1.7，势垒高度为0.9。尽管势垒高度轻微上升，然而理想因子也相应的增加。相比于未退火之前，退火后，器件的反向漏电降低，而正向导通电流则依然超过了1kA/cm2，这也直接导致了器件开关比的提升。这说明在200°C退火后，Au/Ga2O3肖特基二极管表现出了较好的特性。Xian等人[75]对比制备了Ni/Ga2O3和W/Ga2O3两种具有场板结构的垂直肖特基结，采用的衬底浓度为3.5×1016cm-3。在未退火之前，Ni/Ga2O3肖特基结漏电高于1×10-6A/cm2，而W/Ga2O3肖特基结漏电流高于1×10-4A/cm2，且最大导通电流在100A/cm2左右。随后W/Ga2O3肖特基接触在500°C退火（60-300s）后，器件漏电降低了约两个数量级，器件势垒高度在0.7-0.8之间，理想因子在1.1-1.2之间。他们推测退火移除了由于溅射而引起的等离子体损伤。也有研究表明通过溅射制备W/Ga2O3肖特基二极管的均一性比使用电子束蒸发沉积方法制备的样品更低，并且在经过500°C60s退火后，可以恢复由于溅射引起的等离子损伤，提升了肖特基二极管的均一性。随后，为了进一步研究Au/Ga2O3肖特基结的热稳定性，我们又分别在300°C和400°C进行了长达10min的退火。如图3.11展示了器件在300°C退火后的I-V特性。在图3.11左图中，我们可以发现器件的漏电低于1×10-6A/cm2，而正向导通电流稍微降低到了970A/cm2；相比于未退火之前，该二极管的漏电未发生明显变化，而最大导通电流从1173A/cm2降低到了970A/cm2；而相对于在200°C退火后的样品，反向漏电从1×10-8A/cm2恢复到了1×10-6A/cm2，而该肖特基结的正向导通电流从1100A/cm2降低到970A/cm2。实际上，Au//Ga2O3肖特基器件分别经过200°C和300°C的退火后，依然保持着较好的热稳定性，图STYLEREF1\s3图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s111300°C退火后对二极管I-V特性的影响图3.12展示了器件在400°C退火后的I-V特性。在图3.12左图中，我们可以发现，在经过400°C退火10分钟之后，在反向偏压从0到-5V的情况下，该器件的漏电流从1×10-7A/cm2逐渐上升到1×10-5A/cm2，正向导通电流稍微下降到了774A/cm2，相比于未退火之前，退火在200°C和300°C，均有一定程度的下降，然而相比于目前文献中已有报道的横向器件中，该器件仍然具有较高的输出电流密度。图STYLEREF1\s图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s112400°C退火后对二极管I-V特性的影响表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11不同退火温度下器件的n和SBH理想因子（n）势垒高度（SBH）常温下1.60.9eV200°C退火1.71eV3