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高效半导体功率开关器件直接促进世界范围的节能减排而受到强烈需求[1]. 在高速铁路和5G的应用背景下, 硅基器件已不能满足高能量密度和高频的技术发展. 作为第三代半导体的典型材料, 如SiC和GaN, 越来越成为当前社会和研究机构关注的焦点. 因为它们具有大禁带宽度(Eg)及高的击穿电场(EBR), 从而有望突破硅基器件的技术局限. 然而, 受晶体生长、器件制造难度和成本的影响, 这些材料的应用存在一定限制. 最近, 氧化镓(β-Ga2O3)作为一种新的半导体候选材料, 已经引起了广泛关注, 它可以制造超越当前SiC和GaN技术参数的功率器件[2]. 相比于第三代半导体, 它具有更宽的禁带和更高的击穿电压; 比其他超带宽半导体, 如AlN和金刚石, 则更容易制造.
β-Ga2O3可以采用氢化物气相外延和分子束外延等外延法, 在同质或异质衬底上制作出低导通电压、高正向电流密度和高开关速度特性的肖特基势垒二极管. Sasaki等[3]在单晶上同质外延n型氧化镓, 使得击穿电压达到150 V以上; 而Oh等[4]报道了210 V的Ni/Ga2O3垂直型肖特基二极管, 常温下导通电阻(Ron)为2582 Ω·cm2, 品质因子(
$ {\rm FOM }=V_{\rm BM}^2/R_{\rm on} $ , 其中VBR为击穿电压)约为17.1 W/cm2, 势垒高度为1.0—1.2 eV; Konishi等[5]则报道了使用直径200 μm的Au阳极且带有场板结构的垂直型肖特基二极管, Ron和VBR分别达到了5.1 mΩ·cm2和1076 V, 有效势垒高度约为1.46 eV; 而Yang等[6]在没有使用场板的情况下, 采用Ni作为肖特基接触电极, 制备的二极管VBR也超过了1000 V, 势垒高度为0.94 eV, Ron为6.7 mΩ·cm2, 室温下品质因子约为154.3 W/cm2, 反向漏电流在μA/cm2量级; Hu等[7]则使用蓝宝石衬底制备了横向的肖特基二极管. 同样采用Ni作为肖特基接触, 在没有场板保护的情况下, 可获得最高1700 V的击穿电压、0.85—0.9 V的开关电压. Mohamed等[8]则使用Au作为肖特基接触, 构成的二极管具有1.23 eV的势垒高度, 在正向电压1 V时电流可达10–3 A. Splith等[9]研究了Cu作为正向电极的肖特基二极管, 得出有效势垒高度为1.32 eV, 反向电流在10–7 A/cm2量级, 正向开启电压为0.6 V. He等[10]使用Pt作为正向电极制备的肖特基二极管, 整流比率可到1010, 势垒高度达到1.39 eV, 内建电势(Vbi)为1.07 V, Ron为12.5 mΩ·cm2, 反向饱和电流达到10–16 A量级, 正向电流在2 V时达到56 A/cm2.从上述分析可以看出, 对氧化镓肖特基二极管已有了大量的研究, 制备出了性能各异、肖特基电极差异很大、功率密度和势垒电压差别也较大的各种功率管, 可以使用在多种场合. 但目前还未见针对同一种金属, 功率密度、势垒可调且具有广泛用途的二极管的报道.
本文经过设计仿真, 提出在传统的器件结构上外延一层纳米级的重掺氧化镓层, 通过调节纳米层的厚度和掺杂浓度, 可以在较大范围内调控肖特基二极管的势垒高度和功率密度, 采用相同的工艺实现不同要求的肖特基二极管. 最后通过理论分析了其作用机理, 为实验制备提供了依据.
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采用Ni/Ga2O3肖特基二极管作为基础结构, 在厚度为0.2 μm、Sn掺杂浓度为3.6×1018 cm–3 的β-Ga2O3衬底上外延0.6 μm、Si掺杂浓度为2.0×1016 cm–3的β-Ga2O3; 顶部电极用Ni形成肖特基接触, 底部电极用Ti形成欧姆接触. 在此基础上, 进一步增加一层n型的β-Ga2O3薄层, 并改变其浓度、厚度, 研究器件性能的变化, 典型结构如图1所示. 结构中Ni的功函数为5.15 eV[11], β-Ga2O3的亲和能为4.00 eV[12], 300 K时的带隙为4.80 eV[13], Nc在300 K时为3.72×1018 cm–3, 相对介电常数为10, 电子迁移率为118 cm2/(V·s), 空穴的迁移率为50 cm2/(V·s)[14]; 其他材料参数参考N-族宽禁带半导体的数值[6,15]. 为了研究肖特基的接触势垒, 考虑了镜像力效应, 所有的结构网格都被精细划分, 使得最终稳态电流不随网格的变化而变化. 基础物理模型采用肖特基接触的热电子发射理论(thermionic emission model), 并且考虑能带变窄效应(Bgn model)、隧穿效应(Tsu-Esaki model)、费米统计(Fermi-Dirac model)以及离子碰撞模型(Selberherr model), 隧穿效应采用WKB (Wenzel-Kramers-Brillouin)近似[16,17]; 计算未考虑缺陷影响. 收敛判据使用Newton算法.
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图2所示是外延5 nm、Si掺杂浓度为2.6 × 1018 cm–3的n+ β-Ga2O3薄层和未加n+薄层的肖特基二极管性能曲线对比. 为了解性能差异及外延层的影响, 在正向特性曲线中还同时对比了存在和不存在隧穿作用的情况, 如图2(a)所示. 而反向特性曲线则直接考虑隧穿电流而没有对比无隧穿的情况, 如图2(b)所示. 肖特基反向特性漏电流较小, 需要考虑隧穿电流, 否则结果意义不大.
由图2可以看出, 没有外延薄层并且不考虑隧穿电流的情况下, 肖特基二极管的开启电压约为0.76 V, 在0.8 V的正向偏置下, 正向电流密度为2.34 A/cm2 (通过图2中0.8 V的电流值除以图1面积换算而来, 下同); 考虑隧穿电流, 开启电压为0.75 V, 正向电流密度为3.62 A/cm2.
而相同面积的肖特基二极管外延5 nm的n+层后, 且不考虑隧穿电流的情况下, 开启电压为0.76 V, 正向电流密度为14.05 A/cm2; 如果考虑隧穿效应, 开启电压仍然为0.76 V, 正向电流密度大幅度增大到496.88 A/cm2.
大量研究结果表明, 肖特基二极管的电流方程符合热电子发射理论[18], 可以用(1)式表示:
其中u是外部电压, k是玻尔兹曼常数, q是单位电子电荷, n是理想因子, Rs是串联电阻, I0是饱和电流, 由(2)式给出:
这里, A是接触面积, A*是有效理查森常数(33.7 A·cm–2·K–2),
${\varPhi }_{\text{b}}$ 是有效势垒高度. 也就是说普通的肖特基二极管电流主要来源于热电子发射, 而隧穿电流、缺陷复合等电流成分较小. 按照这种假设计算上述4种情况的势垒高度和理想因子, 结果见表1.没有外延薄层且不考虑隧穿效应的情况下(类型I), 理想因子为1.06, 正向导通电阻约为88.50 mΩ·cm2, 有效势垒高度为1.08 eV; 考虑隧穿效应后(类型II), 理想因子上升为1.10, 正向导通电阻约为31.10 mΩ·cm2, 有效势垒高度为1.07 eV, 对应的击穿电压为187.61 V, 由此计算的FOM值为1.13 MW/cm2. 实验测试的Ni/β-Ga2O3肖特基二极管势垒高度在1.10 eV左右, 对应的理想因子约为1.30[4,6]. 本文中所用的Ni的功函数为5.15 eV[11], β-Ga2O3的亲合能为4.00 eV, 考虑镜像力作用, 有效势垒高度低于1.15 eV是比较合理的结果; 而本文得出的理想因子明显低于文献报道的结果[4,6], 是由于没有考虑缺陷作用, 而0.8 V时的电流密度也稍微小于文献[6]的值(～6.09 A/cm2), 导通电阻也较文献[6]报道结果高(～6.7 mΩ·cm2), 同样是由于缺陷带来的影响. 但仍然可以从类型I和II的对比看出, 隧穿效应可以提高电流密度达54%.
有外延层且不考虑隧穿效应时(类型III), 理想因子变为1.02, 正向导通电阻约为18.25 mΩ·cm2, 有效势垒高度1.02 eV; 考虑隧穿效应后(类型IV), 理想因子变为1.07, 正向导通电阻约为0.27 mΩ·cm2, 有效势垒高度0.93 eV, 对应的反向击穿电压为182.30 V, 由此计算的FOM值高达123.09 MW/cm2. 对比类型III和IV可得, 有外延薄层时, 隧穿效应可以提高电流密度达35倍; 对比类型II和IV可看出, 外延薄层仅仅使反向耐压降低了5.31 V, 小于3%. 很明显, 增大一层n型的β-Ga2O3薄层能降低正向导通电阻和势垒电压, 而大幅度提升功率密度; 而外延的薄层使隧穿效应对肖特基二极管的影响更为显著, 对反向耐压影响较小.
图3显示了考虑隧穿效应时, 在2.6×1018 cm–3浓度下, n+层厚度对正向特性及相关参数的影响.
从图3(a)可以看出, n+层厚度在1—14 nm范围内, 相同的正向偏压下, 厚度越大电流密度越高. 从图3(b)可以看出, 在0.8 V正向偏置下, n+层厚度小于10 nm时, 电流密度小于800 A/cm2, 大于10 nm后, 电流密度快速上升, 最终达到4139.78 A/cm2 (n = 14). 同样也可以按照(1)式和(2)式计算导通电阻、势垒高度和理想因子. 从图3(c) 和图3(d)可以看出, n+层厚度在1—14 nm范围内, 导通电阻均小于1 mΩ·cm2, 但随着厚度的增大而增大. 有效势垒高度值在1.04—0.88 eV之间, 并且随着厚度增大有逐渐下降的趋势; 而理想因子n在1.02—1.26之间, 随着厚度的增大逐渐升高.
此处n值偏离1越大, 表明隧穿电流作用越强. 而导通电阻受到势垒层和串联电阻效应的共同影响. 势垒高度随着厚度的增大而逐渐降低, 热发射电流和隧穿电流同时增大导致电流密度增大, 致使导通电阻减小. 与此同时, 串联电阻随厚度的增大而逐渐增大, 但考虑到n+外延层掺杂浓度较高, 厚度从1 nm增大到14 nm, 串联电阻增大非常有限. 所以可认为导通电阻主要受隧穿作用的影响.
图4显示了考虑隧穿效应时, 在n+层厚度为5 nm时, n+层浓度变化对正向特性及相关参数的影响.
从图4(a)可看出, n+层浓度在1014—1019 cm–3范围内, 在相同的正向偏压下, 浓度越高电流密度越大; 从图4(b)可看出, 0.8 V正向偏置时, 浓度在1018 cm–3以内, 电流密度变化不大, 浓度超过1018 cm–3后, 电流密度急速上升. 按照(1)和(2)式计算导通电阻、势垒高度和理想因子. 从图4(c)可看出, 在考虑隧穿效应的情况下, 总体上导通电阻随着n+外延层浓度增大而逐渐降低. 当n+层浓度小于1018 cm–3, 电阻呈现较高的值, 当浓度超过1018 cm–3, 导通电阻降低到1 mΩ·cm2以下, 并且呈现下降趋势. 有效势垒高度为1.08—0.85 eV, 也随着厚度增大逐渐下降. 当浓度低于1018 cm–3, 势垒高度下降并不明显; 超过1018 cm–3, 势垒高度快速下降; 而理想因子在1.06—1.15之间, 并随着厚度的增大逐渐升高.
n值的增大很大程度上表明隧穿电流的增强. 从图4(d)可以看出, n值最终达到1.15. 表明肖特基二极管逐渐偏离了理想热发射占主导的机制. n+外延层的浓度升高, 导通电阻逐渐下降, 浓度较低时, 串联电阻效应和热发射效应较弱, 电阻随着浓度降低并不明显; 随着外延层浓度进一步上升, 串联电阻效应、热发射以及隧穿效应的增强导致电阻快速下降.
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没有外延层时, 金属-半导体接触的性能取决于有效势垒, 而有效势垒除了决定于金属和半导体的功函数差之外, 在电场的作用下, 镜像力、界面态和隧穿效应也会对势垒产生影响.
界面态对势垒的影响较为严重, 本文由于缺少界面态密度等数据, 未考虑其影响, 以至于在没有n+外延层时, 理想因子接近1, 表明了较好的接触.
式中,
$\Delta \varphi $ 为镜像力导致的势垒降低高度,$\xi $ 为电场的最大值,${\varepsilon _{\text{s}}}$ 为介电常数. 在没有外延层的情况下, 0.8 V正向偏压时, 纵向电场的最大值约为3.71 ×104 V/cm, 与仿真值相同. 计算可得$\Delta \varphi $ 为0.023 eV, 势垒高度约为1.12 eV.隧穿效应对势垒有较大的影响. 前文对比过无外延层时隧穿电流的影响(图2和表1), 发现隧穿效应会使得没有外延层的电流密度增大54%; 对应的势垒高度降低可以用(4)式表示:
式中, Es为表面最大电场, 而xm是最大电场对应的位置. 计算可得
$\Delta \varphi $ 为0.046 eV, 势垒高度为1.10 eV左右. 两者相差并不明显, 电场强度也不强, 虽然隧穿效应增大了电流, 但增大有限, 表明电流的增大主要来自于热发射作用的增强.有外延层时, 在0.8 V偏压下, 纵向电场的最大值约为3.52×105 V/cm, 与仿真值相同. 不考虑隧穿效应, 同样利用(3)式计算可得
$\Delta \varphi $ 为0.071 eV, 明显比无外延层的情况下势垒降低显著. 热发射导致电流进一步增大; 而在有外延层的情况下, 隧穿效应变得更加剧烈, 可以使电流增大几十倍. 在有薄层的情况下, 势垒高度受隧穿影响不能直接用(4)式计算, 因为式中没有薄层厚度和浓度的影响.在金属半导体之间插入重掺杂的n型薄层调控有效势垒高度, 形成的电场分布中, 最大值为
其中, a为薄层的厚度, W为耗尽层宽度, n1为薄层浓度, n2为半导体外延层浓度, εs为半导体材料的介电常数. 本文中外延层的掺杂浓度为2.0 × 1016 cm–3, 而薄层的掺杂浓度为2.6 × 1018 cm–3, 故电场强度可以简化为
对应的镜像力势垒降低可以用(8)式表示:
当厚度为5 nm时, 计算可得所使用薄层的最大电场可达3.52 × 105 V/cm, 镜像力势垒降低值为0.058 eV.
而对应的隧穿效应导致的势垒降低, 同样可根据最大电场计算得到势垒降低约为0.124 eV, 有效势垒约为0.967 eV. 此时电场强度超过105 V/cm, 隧穿电流将变得显著, 而热发射电流由于势垒的降低而同时增大[13].
当外延层浓度增大时, 根据(8)式可以看出, 势垒高度随着
$\sqrt {{n}}$ 减小, 从而导致电流密度增大. 同样地, 当外延层厚度增大时, 势垒高度随着$\sqrt {{a}}$ 减小.由以上分析可以看出, n+高浓度外延层增大了半导体一侧的电场强度, 势垒高度受到镜像力、串联电阻及隧穿效应的多方面影响. 其中, 镜像力由于电场的增大而使得势垒下降得不多; 外延层的厚度同样会造成势垒高度的下降, 但下降的值也并不严重; 高电场会使得隧道作用变得显著, 其对势垒的降低作用占据了主要部分. 因此, n+薄层导致电流密度大幅度上升和导通电阻的急剧下降, 是由于势垒降低导致的热发射电流的增大, 更为重要的是半导体一侧电场强度的增大导致隧穿电流的增大. 可以确信隧穿作用远远大于热发射作用, 对势垒的调控也主要是由于隧穿作用.
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本文研究了n+高浓度外延层对氧化镓肖特基二极管的势垒调控. 结果发现, 外延一定厚度和浓度的n型氧化镓薄层后, 性能相较于普通氧化镓二极管得到大幅度提升. 其中纵向电流密度每平方厘米可高达几百安, 导通电阻降低到1 mΩ·cm2以下, FOM值达到100 MW/cm2以上. 理论分析表明, 性能的提升主要是由于n+高浓度外延薄层对肖特基接触的势垒调控. 势垒调控在于外延薄层对镜像力、外延层本身和隧穿效应的综合影响, 其中隧穿效应影响最大. 当外延薄层浓度增大时, 势垒高度随着
$\sqrt {{n}}$ 减小; 当外延薄层厚度增大时, 势垒高度随着$\sqrt {{a}}$ 减小. 最终导致氧化镓肖特基二极管在热发射的基础上, 大幅度增大了电流密度, 从而降低了导通电阻、增大了FOM值.
势垒可调的氧化镓肖特基二极管
Barrier-tunable gallium oxide Schottky diode
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摘要: 氧化镓作为新一代宽禁带材料, 其器件具有优越的性能. 本文仿真研究了n+高浓度外延薄层对氧化镓肖特基二极管的势垒调控. 模拟结果显示, 当n型氧化镓外延厚度为5 nm、掺杂浓度为2.6×1018 cm–3时, 肖特基二极管纵向电流密度高达496.88 A/cm2、反向击穿电压为182.30 V、导通电阻为0.27 mΩ·cm2, 品质因子可达123.09 MW/cm2. 进一步研究发现肖特基二极管的性能与n+外延层厚度和浓度有关, 其电流密度随n+外延层的厚度和浓度的增大而增大. 分析表明, n+外延层对势垒的调控在于镜像力、串联电阻及隧穿效应综合影响, 其中镜像力和串联电阻对势垒的降低作用较小, 而高电场下隧穿效应变得十分显著, 使得热发射电流增大的同时, 隧穿电流得到大幅度提升, 从而进一步提升了氧化镓肖特基二极管的性能.Abstract: Gallium oxide is a new generation of wide band gap materials, and its device has excellent performance. The barrier control of Ga2O3 Schottky diode by n+ high concentration epitaxial thin layer is studied. The results show that the performance of Schottky diode has greatly improved after epitaxy of n-type gallium oxide. The vertical current density is 496.88A·cm–2, the reverse breakdown voltage is 182.30 V, and the calculated Ron is 0.27 mΩ·cm2 when the epitaxial concentration is 2.6 × 1018 cm–3 and the thickness is 5 nm. Further studies indicate that the current density increases with the increase of the layer thickness and the concentration. Theoretical analysis shows that the barrier is controlled by mirror force, series resistance and tunnel effect. Of them, the tunnel effect has the greatest influence, which makes the barrier height decrease with the layer concentration as
$\sqrt {{n}}$ and the thickness as$\sqrt {{a}}$ . As a result, the hot emission current and the tunnel current increase simultaneously, which improves the performance of Ga2O3 Schottky diode.-
Key words:
- gallium oxide /
- schottky diode /
- effective barrier /
- tunnel current .
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图 2 外延与未加n+ β-Ga2O3薄层的肖特基性能曲线对比(外延层厚度为5 nm、浓度为2.6 × 1018 cm–3) (a)正向特性曲线; (b)反向特性曲线
Figure 2. Comparison of β-Ga2O3 Schottky diode performance with and without n+ epitaxial layer (thickness 5 nm, concentration 2.6 × 1018 cm–3): (a) Forward characteristic curve; (b) reverse characteristic curve.
图 3 考虑隧穿效应, 在2.6 × 1018 cm–3浓度下, n+层厚度对正向特性的影响 (a)正向I-V曲线; (b) 0.8 V正向偏置时, 电流密度与n+层厚度的关系; (c)导通电阻与n+层厚度的关系; (d)有效势垒高度和理想因子与n+层厚度的关系
Figure 3. Considering the tunnel effect, influence of n+ layer thickness on forward characteristic with concentration 2.6 × 1018 cm–3: (a) Forward I-V curve; (b) relationship between current density and the thickness at 0.8 V forward bias; (c) relationship between Ron and the thickness; (d) relationship of effective barrier height and ideal factor to the thickness.
图 4 考虑隧穿效应, 在厚度为5 nm时, n+层浓度对正向特性的影响 (a)正向I-V曲线; (b) 0.8 V正向偏置时, 电流密度与n+层浓度的关系; (c)导通电阻与n+层浓度的关系; (d)有效势垒高度和理想因子与n+层浓度的关系
Figure 4. Considering the tunnel effect, the influence of n+ layer concentration on the forward characteristic with 5 nm thickness: (a) Forward I-V curves; (b) relationship between current density and the concentration at 0.8 V forward bias; (c) relationship between Ron and the concentration; (d) relationship of effective barrier height and ideal factor to the concentration.
表 1 按照热电子发射理论计算的参数
Table 1. Parameters calculated according to hot electron emission theory
势垒高度/eV 理想因子n 开启电压/V Ron/
(mΩ·cm2)0.8 V电流密度/(A·cm–2) 击穿电压/V 类型 1.08 1.06 0.76 88.50 2.34 — I: 无外延层+无隧穿效应 1.07 1.10 0.75 31.10 3.62 187.61 II: 无外延层+有隧穿效应 1.02 1.02 0.76 18.25 14.05 — III: 有外延层+无隧穿效应 0.93 1.07 0.76 0.27 496.88 182.30 IV: 有外延层+有隧穿效应 
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