GaN肖特基势垒二极管材料与器件研究

摘要

氮化镓（GaN）是宽禁带半导体材料的一种，具备优良的电学特性，并且在高频大功率器件领域发挥着显著的强大作用。其中，GaN属于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，有大的禁带宽度，高的击穿电场，高的热导率，强的抗腐蚀能力和抗辐照能力等得天独厚的优势，正是由于GaN材料如此杰出的特性，对GaN材料以及器件的研究在过去十几年内得到迅猛发展，无论是GaN基材料的生长技术还是相应的器件工艺均得到提升。然而对于GaN电子器件来讲，器件性能主要取决于材料质量以及工艺水平。众所周知，蓝宝石衬底具有良好的稳定性能，且其生产技术成熟，是目前异质外延GaN应用最广泛的衬底材料之一，并且图形化蓝宝石衬底结构在LED中被广泛使用。本文借鉴了LED的成熟工艺，并期望能够将图形化蓝宝石衬底的优势在肖特基势垒二极管等电子器件中发挥出来，进一步发掘GaN的应用潜力。本文对蓝宝石衬底上生长的N型GaN材料特性进行了系统的分析，并深入研究了图形化蓝宝石衬底对于位错的湮灭机理；研究了SiH4流量对GaN电学特性以及应力特性的影响；以及对刻蚀工艺进行了研究并制备了GaN肖特基势垒二极管，主要结果如下： 第一，研究了不同类型蓝宝石衬底对GaN材料性能的影响。基于MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长的GaN材料，图形化衬底相比普通平面衬底而言，GaN外延层表面原子台阶清晰可见，材料质量更佳；位错密度降低了3倍，结晶质量更好。位错密度降低这是因为图形化促使GaN外延层中的位错延伸方向由通常的垂直向上变成了侧向生长，并且侧向生长的位错很快得到湮灭，实现了图形化蓝宝石衬底上的低位错GaN材料的生长。此外，普通平面蓝宝石衬底上生长的GaN外延层由于位错密度高，表面略为粗糙而具有更强的黄带发光现象。 第二，研究了SiH4流量对GaN材料性能的影响。当SiH4流量设置为50sccm、120sccm和300sccm时，样品的迁移率先从70cm2/V·s增大到165cm2/V·s，再下降到120cm2/V·s，即样品的迁移率先增大再减小。根据分析，当样品的掺Si量较小时，电离杂质散射的作用较弱，载流子迁移率升高；当加大掺Si量时，电离杂质散射的作用增强，样品的载流子迁移率降低。此外，样品所受应力随着硅烷流量的增加而减小。 第三，研究了GaN肖特基势垒二极管的刻蚀工艺。当先进行隔离刻蚀时，由于刻蚀深度大，以2μm的SiO2作为掩膜刻蚀GaN时，过厚的SiO2掩膜使得刻蚀SiO2的时间过长，导致光刻胶存在非常严重的钻孔现象，使得SiO2被破坏；此外，在隔离边缘一侧因为刻蚀不完全而存在两个比较高的GaN侧峰。当先进行台面刻蚀时，由于台面的存在会造成甩胶不均匀的现象，且两种刻蚀方案下台面处亮度存在差异，但不会对器件特性产生影响。因此，本文器件采用先进行台面刻蚀，再进行隔离刻蚀的方法进行研究。 第四，研究了GaN肖特基势垒二极管的特性。当温度从25℃升高至125℃时，肖特基势垒二极管的正向开启电压从0.573V降低到0.501V，势垒高度从0.896eV降低到0.732eV。当采用W作为阳极金属时，相比于Ni/Au，器件开启电压从0.9V降低到0.47V，降低了大约一半，实现了低开启器件的制备。使用场板后，器件反向电流降低了大约3个数量级，即场板有效降低了反向泄漏电流，实现了低泄漏电流器件的制备。

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