氮化镓肖特基势垒二极管性能研究

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氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料,具备超高的电子迁移率,且介电常数小、击穿电压大,因此在集成电路领域内成为研究热点,有着广泛的应用前景。尤其是AlGaN/GaN SBD,因其较高的开关频率、较低的开启电压、以及极化效应产生的高浓度二维电子气,使其有望成为高性能直流(DC)和射频(RF)功率二极管的理想器件[1]。尽管上述提到的二维电子气沟道中电子理想迁移率能达到2000 cm~2/(V·s),但实际制备的SBD的电子迁移率却无法达到如此高的数值,限制了SBD的应用。为解决上述问题,提高SBD在实际制备中的电学特性,本文对凹槽阳极结构的AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管展开了系统的研究,主要工作内容如下:(1)对凹槽阳极AlGaN/GaN异质结肖特基势垒二极管的研究进展进行调研,并对该结构SBD的相关理论做了详细介绍,基于上述对该结构SBD使用Silvaco软件进行仿真,搭建SBD模型后,研究了不同Al组分对SBD特性的影响,最终选用Al组分为0.3的外延进行实验制备,并在反向电场仿真中证明了该结构的优势所在。(2)设计包括3种尺寸凹槽阳极AlGaN/GaN异质结SBD版图,掩模版制备完成后,对该结构SBD进行制备,并使用半导体参数分析仪对器件进行常温下的直流测试。测试结果表明,随着LAC增大,电流密度逐渐下降,阳极电流密度在LAC=5μm,正向偏压1.5 V的情况下只达到58 m A/mm,且在反向工作条件下,SBD的漏电较大。(3)针对上述SBD器件提出优化方案,对其欧姆接触进行优化。首先对SBD的欧姆接触进行退化实验,讨论出Ti/Al/Ni/Au复合金属作为阴极金属的强稳定性,其次讨论该复合金属各层厚度对欧姆接触的影响,经对比3组样品,得到最佳比例为20/140/55/45 nm,对上述三种不同厚度的阴极金属采用不同退火条件,利用TLM法计算接触电阻进行对比,得到最佳温度范围为850℃~875℃(4)针对上述SBD器件提出优化方案,对其肖特基接触进行优化。采用不同溶液处理法对SBD阳极界面处理进行对照实验,并对各样品进行常温和高温下的交、直流特性测试。经实验对照,采用(NH4)2S溶液处理阳极界面后,常温下1.5 V偏压正向电流密度达到87 m A/mm,反向漏电低于原漏电2个数量级,且在高温测试下,处理效果仍旧稳定有效。通过交流测试,提取出各样品的界面态密度,处理后的样品界面态密度均下降2个数量级左右。综上分析,欧姆接触与肖特基接触的质量是决定SBD器件特性的关键因素,采用溶液处理的方法能够有效提升肖特基界面特性,从而提高SBD的电学特性。
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