基于湿法腐蚀凹槽阳极的低漏电高耐压AlGaN/GaN 肖特基二极管*

武鹏 朱宏宇 吴金星 张涛† 张进成‡ 郝跃

1) (西安电子科技大学,宽禁带半导体器件与集成电路全国重点实验室,西安 710071)

2) (中国飞行试验研究院,西安 710089)

得益于铝镓氮/氮化镓异质结材料较大的禁带宽度、较高的击穿场强以及异质界面存在的高面密度及高迁移率的二维电子气,基于该异质结材料的器件在高压大功率及微波射频方面具有良好的应用前景,尤其是随着大尺寸硅基氮化镓材料外延技术的逐渐成熟,低成本的氮化镓器件在消费电子方面也展现出极大的优势.为了提高铝镓氮/氮化镓肖特基二极管的整流效率,通常要求器件具有较小的开启电压、较低的反向漏电和较高的击穿电压,采用低功函数金属阳极结构能有效降低器件开启电压,但较低的阳极势垒高度使器件易受界面缺陷的影响,导致器件反向漏电增大.本文采用一种新型的基于热氧氧化及氢氧化钾腐蚀的低损伤阳极凹槽制备技术,解决了常规干法刻蚀引入的表面等离子体损伤难题,使凹槽表面粗糙度由0.57 nm 降低至0.23 nm,器件阳极反向偏置为–1 kV 时的漏电流密度由1.5×10–6 A/mm 降低至2.6×10–7 A/mm,另外,由于热KOH 溶液对热氧氧化后的AlGaN 势垒层及GaN 沟道层具有良好的腐蚀选择比,因此避免了干法刻蚀腔体中由于等离子体分布不均匀导致的边缘刻蚀尖峰问题,使器件反向耐压由–1.28 kV 提升至–1.73 kV,器件性能得到极大提升.

1 引言

随着半导体功率器件及模块的不断发展,现有的硅(Si)快恢复二极管已逐渐难以满足未来高速信息化应用领域需求,现阶段车载激光雷达通常采用Si 快恢复二极管作为电路的续流管,但较长的反向恢复时间阻碍了电路的工作频率,导致信息采集较慢,难以满足未来智能驾驶的需求,而性能较好的碳化硅(SiC)肖特基二极管(SBD)价格相对较高,难以实现高性能激光雷达的普及应用.基于Si 衬底的氮化镓(GaN)SBD 不仅具有相对低廉的成本,同时还具有可与SiC SBD 媲美的反向恢复时间,在未来高速信号的采集及输运方面具有非常好的应用前景.GaN 作为第三代半导体的典型代表,在实现高耐压、大功率器件方面具有得天独厚的优势[1−4],尤其是基于铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)异质界面强极化效应而产生的高面密度和高迁移率的二维电子气(2DEG),为实现高功率密度单片集成电路提供了极佳方案[5−8].由于缺乏大尺寸单晶GaN 同质衬底,以及GaN 同质外延界面存在高陷阱态密度等问题,现阶段基于AlGaN/GaN异质结的材料通常采用SiC 和Si 等异质衬底,导致外延材料具有较高的穿透位错密度[9−11].平面结构AlGaN/GaN SBD 具有较大的阳极势垒高度及势垒宽度,器件开启电压通常高达1.5 V,另外,受到阳极金属下方高穿透位错密度的影响,器件通常具有较大的反向漏电.为了实现较高的工作效率,GaN SBD 通常需要具有较小的开启电压和较小的反向漏电,通过采用凹槽阳极结构使阳极金属与沟道处的2 DEG 直接接触可以有效降低器件开启电压,并实现对阳极下方穿透位错免疫的效果[12−16].

对于凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD 而言,通过优化器件阳极结构及界面特性,可以有效提高器件性能.通过在阳极边缘引入高电子迁移率晶体管(HEMT)金属-绝缘层-半导体(MIS)栅结构[17−20],阻断器件反向偏置时阳极边缘的载流子通路,可以有效降低器件反向漏电,同时,得益于凹槽MIS 栅结构对阳极边缘电场的调控作用,器件的反向耐压得到了有效的提升.另外,采用鳍型(Fin)栅结构替代MIS 栅结构[21,22],可以进一步实现超低器件反向漏电.通过采用低功函数金属及金属氮化物阳极结构[12,13,19],可以有效降低阳极势垒高度,实现较低的器件开启电压和导通电阻.对于低功函数金属阳极结构而言,阳极肖特基势垒特性更易受到界面陷阱态的影响,因此,通过采用低损伤GaN 刻蚀技术降低阳极凹槽界面陷阱态密度,对实现同时具备低开启电压和低反向漏电的高性能AlGaN/GaN SBD 器件具有重要的意义.

本文基于低功函数金属钨阳极技术,采用湿法腐蚀阳极凹槽制备技术替代常规干法氮化镓刻蚀工艺,解决了AlGaN/GaN SBD 阳极凹槽制备过程中引入的刻蚀损伤较大导致器件反向漏电大的难题,同时得益于湿法腐蚀技术的自停止优势,实现了具有明显原子台阶流的刻蚀表面,与采用干法刻蚀的凹槽阳极器件相比,凹槽底部表面粗糙度由0.57 nm 降低为0.23 nm,反向击穿电压由1.28 kV 提升至1.73 kV,且正向导通特性无明显退化,器件整体性能得到大幅度提升.

2 器件结构与制备

本文所制备的基于湿法腐蚀凹槽阳极结构的AlGaN/GaN SBD 器件的截面结构如图1 所示,材料各层结构从上至下依次为2 nm GaN 帽层,23 nm Al 组分为25%的AlGaN 势垒层,0.8 nm AlN插入层,200 nm 非故意掺杂GaN 沟道层和6 µm的碳掺杂高阻缓冲层,衬底采用1 mm 厚度的p 型导电Si 材料.为了降低外延材料与Si 衬底之间较大晶格失配的影响,样品缓冲层采用超晶格结构,有效抑制了样品穿透位错密度,提升了GaN 沟道材料质量,从材料层面保障了器件实现较高耐压和较低反向漏电的可行性.

图1 凹槽阳极结构低功函数阳极金属AlGaN/GaN SBD器件截面图Fig.1.Cross-sectional schematic view of AlGaN/GaN SBD with groove anode and low work-function metal as anode.

为了减少实验过程中对外延材料表面的损伤及污染,样品经丙酮、异丙醇超声清洗后放置于低压化学气相沉积(LPCVD)系统中进行高质量氮化硅(SiN)钝化层的生长,与等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法相比,采用LPCVD 法生长的钝化层具有更好的材料质量,且能够满足后续GaN欧姆接触高温退火的需求,经测试可知,SiN 钝化层厚度约为56.3 nm.台面隔离有助于减少器件之间的串扰,首先采用反应离子刻蚀(RIE)设备以氟基气体为等离子体源对隔离区域的SiN 材料进行过刻蚀,裸露出下方GaN 材料,然后采用氯气和氯化硼的混合气体在感应耦合等离子体刻蚀(ICP)设备中对GaN 进行刻蚀,经过台阶仪测试可知,器件间的总隔离深度约为210 nm.阳极区域的SiN钝化层采用与台面隔离相同的工艺进行刻蚀移除,然后在ICP 设备中以氯化硼气体为等离子体源进行低功率的慢速低损伤刻蚀,刻蚀速率约为1.6 nm/min,刻蚀时间为3 min,用以移除阳极区域的GaN 帽层,露出下方的AlGaN 势垒层,然后把样品置于690 ℃的管式退火炉中进行高温氧化处理,氧化时间为40 min.由于势垒层热氧氧化生成Al2O3的吉布斯自由能高于沟道氧化生成Ga2O3的吉布斯自由能,而在该温度下氧气可与AlGaN势垒层发生反应生成Al2O3,而与GaN 材料的反应强度较弱,因此较长的氧化时间有助于保障AlGaN 势垒层被充分氧化,且对下方GaN 材料界面影响较小.随后把样品置于70 ℃热氢氧化钾(KOH)溶液中进行湿法腐蚀,移除被氧化的AlGaN势垒层,裸露出下方的GaN 材料.由于热氢氧化钾(KOH)溶液仅与热氧氧化后的势垒层发生反应,而不与下方的GaN 材料发生反应,因此实现了自停止的刻蚀效果[23−25].

在器件欧姆接触金属沉积之前,采用与前文相同的RIE 刻蚀工艺移除欧姆接触区域的SiN 钝化层,然后在电子束蒸发设备中依次沉积多层Ti/Al/Ni/Au (22/140/55/45 nm)金属,并在氮气氛围中高温退火35 s 形成低阻欧姆接触.器件阳极金属通过采用磁控溅射设备沉积双层W/Au(30/150 nm)金属,较低的阳极金属功函数是实现器件较小开启电压的关键,然后在氮气氛围下对阳极界面采用490 ℃退火处理,促进阳极金属与凹槽界面的GaN 材料成键,从而减小界面悬挂键及陷阱态密度,该阳极后退火处理是低功函数金属阳极AlGaN/GaN SBD 实现低反向漏电的关键步骤.在湿法腐蚀凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD 器件制备的过程中,同时制备基于干法刻蚀的凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD 器件作为对比实验,器件阳极凹槽结构首先采用RIE 刻蚀工艺移除阳极下方的SiN 钝化层,然后采用低功率的慢速低损伤刻蚀工艺移除AlGaN 势垒层,并在氮气氛围下采用450 ℃退火5 min 修复刻蚀损伤,除阳极凹槽制备工艺外,其余各步工艺均与湿法腐蚀凹槽阳极结构AlGaN SBD 器件制备方法相同.本文制备的AlGaN/GaN SBD 器件的阳极半径(R)为100 µm,阴阳极间距(LAC)为15 µm,场板长度(LEX)为2 µm.

3 结果与讨论

采用原子力显微镜(AFM)分别对湿法腐蚀阳极凹槽及干法刻蚀阳极凹槽形貌进行测试,结果如图2(a)和图2(b)所示,其中,内部插图为凹槽刻蚀界面的表面粗糙度,测试范围为3 µm×3 µm.得益于热KOH 溶液对热氧氧化后的AlGaN 势垒层与GaN 沟道层之间的选择性腐蚀,采用湿法腐蚀技术的凹槽深度约为82 nm,即热KOH 溶液的腐蚀反应自停止于GaN 沟道表面,凹槽底部GaN 沟道表面出现明显的原子台阶流,表面粗糙度约为0.23 nm,且凹槽底部与刻蚀侧壁之间夹角较为陡直.对于采用干法刻蚀技术的阳极凹槽而言,为了确保阳极金属与沟道中的2 DEG 直接接触,本文对阳极下方的AlGaN 势垒层采用过刻蚀的方法,总刻蚀深度约为94 nm,凹槽底部GaN 沟道表面出现颗粒状形貌,表面粗糙度约为0.57 nm,另外,由于干法刻蚀过程中腔体内的等离子体分布不均匀,导致凹槽底部与侧壁之间存在明显的刻蚀尖峰,当器件处于反向偏置时,该刻蚀尖峰会导致阳极边缘电场进一步聚集,从而降低器件的击穿电压.

图2 (a)湿法腐蚀和(b)干法刻蚀阳极凹槽深度及凹槽底部表面形貌Fig.2.Depth of groove anode and roughness of the bottom surface fabricated by (a) wet etching and (b) dry etching.

图3 为采用湿法腐蚀技术制备的器件阳极凹槽边缘透射电子显微镜的测试结果,从图3 可知,采用LPCVD 生长的SiN 钝化层厚度约为56.3 nm,GaN 帽层、AlGaN 势垒层及AlN 插入层的总厚度约为25.8 nm,且采用该湿法腐蚀技术制备的阳极凹槽结构实现了边缘陡峭的刻蚀效果,势垒层与GaN 沟道表面夹角近似为90°,且GaN 沟道表面较为平坦,未出现干法刻蚀过程中由于腔体内等离子体分布不均匀所导致的刻蚀尖峰.

图3 基于湿法腐蚀凹槽制备技术的AlGaN/GaN SBD 阳极凹槽边缘的(a)透射电子显微镜切面图和(b)EDS 元素分析Fig.3.(a) Transmission electron microscopy and (b) EDX analysis around the anode edge of the AlGaN/GaN SBD fabricated by wet-etching technique.

由于本文采用先钝化技术对样品表面进行保护,因此在器件阳极凹槽制备的过程中需先采用RIE 设备移除表面的SiN 钝化层,为了避免残留的SiN 钝化层影响后续ICP 设备对AlGaN 势垒层的刻蚀效果,通常SiN 钝化层的实际刻蚀时间应长于理论所需的刻蚀时间,该过程不可避免地会在样品表面引入氟离子,导致阳极界面势垒高度的变化,另外,氟离子在长时间高压应力偏置作用下会产生移动,引起器件阈值电压的漂移.图4(a)和图4(b)分别为采用X 射线光电子能谱(XPS)设备对湿法腐蚀凹槽表面及干法刻蚀凹槽表面F 1s 核级谱的测试结果,从图4 可知,采用势垒层热氧氧化及湿法腐蚀技术所制备的样品表面无明显的F 1s 峰位,而采用常规干法刻蚀所制备的凹槽样品表面存在较多的氟离子,因此,湿法腐蚀阳极凹槽制备技术可以有效解决SiN 钝化层刻蚀过程中所引入的氟离子注入问题.

图4 (a)湿法腐蚀和(b)干法刻蚀阳极凹槽表面F 1s 核级谱Fig.4.F 1s core-level spectra of the bottom surface fabricated by (a) wet etching and (b) dry etching.

图5 为采用Keithley 4200 半导体参数分析仪对器件的正向测试,器件阳极偏置电压从0 V 逐渐增至2.5 V,步长为0.01 V.本文定义器件的开启电压为阳极正向电流密度达到1 mA/mm 时所对应的阳极偏压,采用湿法腐蚀及干法刻蚀技术的凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD 器件的开启电压分别为0.43 V 和0.44 V,与采用后钝化工艺的器件相比[12,13],器件开启电压均正向增大.由于AlGaN/GaN 异质结界面处的高浓度2DEG 位于GaN 沟道靠近势垒层一侧,距离异质界面约为几纳米宽度,同时,由凹槽侧壁表面和次表面原子重构所引入的空间电荷区宽度也在几纳米范围,导致基于该湿法腐蚀凹槽制备技术的肖特基势垒宽度宽于基于常规干法刻蚀凹槽制备技术的肖特基势垒宽度,因此出现基于该湿法腐蚀凹槽阳极GaN SBD 器件的输出电流相对偏低的情况.图6 为采用Agilent B1505 高压半导体分析仪对器件反向击穿特性的测试结果,由于湿法腐蚀阳极凹槽制备过程中避免了等离子体的刻蚀损伤,因此,当器件的反向偏置电压为–1 kV 时,反向漏电仅为2.6×10–7A/mm,而采用干法刻蚀阳极凹槽技术的Al-GaN/GaN SBD 器件的反向漏电高达1.5×10–6A/mm,定义器件反向漏电流为10 µA/mm 时所对应的阳极偏置电压为器件的击穿电压,则器件的击穿电压分别为–1.73 kV 和–1.28 kV.

图5 线性坐标下器件正向导通特性Fig.5.Forward I-V characteristics of the fabricated Al-GaN/GaN SBDs in linear-scale.

图6 半对数坐标下器件反向击穿特性Fig.6.Reverse I-V curves of the fabricated AlGaN/GaN SBDs in semi-log scale.

图7 为基于湿法腐蚀技术的阳极凹槽表面Ga 3d 核级谱,由于Ga-N 键的吉布斯自由能为–157 kJ/mol,Ga—O 键的吉布斯自由能为–285 kJ/mol,故GaN 沟道表面处的Ga-N 键在高温热氧氧化的过程中会与氧气反应生成Ga—O 键[26],导致峰位在测试强度为20.7 eV 附近出现明显突变,通过对Ga 3d 核级谱分峰拟合可知,Ga—O 键与Ga—N键的峰值强度比值约为13.8%.界面处高质量GaO 薄膜能够有效抑制器件反向漏电,进一步提高器件性能[27].

图7 湿法腐蚀凹槽表面Ga 3d 核级谱Fig.7.Ga 3d core-level spectra of the bottom surface fabricated by wet etching.

4 结论

本文基于凹槽阳极结构AlGaN/GaN SBD 器件,采用湿法腐蚀凹槽阳极制备技术,解决了阳极凹槽等离子体干法刻蚀所引入的刻蚀损伤以及刻蚀腔体内等离子体分布不均匀所导致的刻蚀边缘与凹槽底部刻蚀尖峰的问题,器件反向击穿电压由1.28 kV 提升至1.73 kV,另外,得益于低功函数金属阳极较低的肖特基势垒高度,器件正向开启电压仅为0.43 V,且阳极反向偏置电压为1 kV 时,漏电仅为2.6×10–7A/mm.湿法腐蚀阳极凹槽制备技术,在实现低开启电压、低反向漏电及高击穿电压AlGaN/GaN SBD 器件中展现出了极大的应用潜力,进一步推动了低损耗、大功率AlGaN/GaN SBD 器件的发展.