采用鎢制觸點替代 GaN 肖特基勢壘二極管中的傳統(tǒng)觸點可降低接通電壓。

 

通過采用鎢觸點，中國西安電子科技大學(xué)的研究人員能夠改善具有垂直幾何結(jié)構(gòu)的GaN 肖特基勢壘二極管的性能。工程師們聲稱，對于具有 100 V 或更高擊穿電壓的此類二極管的變體，鎢陽極使接通電壓降至新低。

 

工程師的發(fā)言人 Shenglei Zhao 認(rèn)為，該研究小組工作的另一個重要方面是識別和確定反向漏電流機理。他認(rèn)為，隨著反向偏置的增加，起主導(dǎo)作用的泄漏機理從熱離子發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)樽兂烫S。

 

所有這些最新發(fā)現(xiàn)都來自于對準(zhǔn)垂直（quasivertical）結(jié)構(gòu)GaN肖特基勢壘二極管的制作和研究，這是一種一般是在硅或藍(lán)寶石襯底上制作，并在其正面具有陽極和陰極的器件。相比之下，完全垂直型（fully-vertical）器件是在 GaN 襯底上制作的，且在兩面上各有一個觸點。

 

據(jù) Zhao 稱，與其全垂直型同類器件相比，準(zhǔn)垂直器件的兩個缺點是活性區(qū)域較大和比導(dǎo)通電阻較高。這些不足之處源于正面陰極。

 

同時，與這些缺點“分庭抗禮”的是準(zhǔn)垂直設(shè)計所具備的幾項優(yōu)勢。Zhao 說：“藍(lán)寶石襯底和硅襯底的成本比 GaN 襯底低得多。”他指出，在大型晶圓片上制造準(zhǔn)垂直器件也較為容易；而且，由于兩個電極位于晶圓片的同一面，因此這種架構(gòu)適合設(shè)計和制作單片式電源 IC。

 

 

隨著反向偏置電壓的增加，漏電流的主導(dǎo)機理從熱離子發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)樽兂烫S。

 

GaN 準(zhǔn)垂直肖特基勢壘二極管的制造流程是：首先將藍(lán)寶石襯底裝入 MOCVD 反應(yīng)室，并生長一個 2μm 厚的未摻雜 GaN 層，接著生長一個 3.5μm 厚的重?fù)诫s GaN 層，最后是生長一個 1.3μm 厚的輕摻雜 GaN 層。隨后的臺面刻蝕進(jìn)入重?fù)诫s層，在電子束蒸發(fā)之前增添 Ti/Al/Ni/Au 歐姆接觸，通過在氮氣中進(jìn)行快速熱退火予以改善。器件的制作完成需要采用濺射工藝，以形成一個肖特基電極。它具有 76μm 直徑，并由50nm 厚的鎢和 150nm 厚的金制成。

 

為了進(jìn)行比較，研究人員制作了一個除電極之外其他方面完全相同的器件?？刂破骶哂幸粋€傳統(tǒng)電極，由 45nm 厚的鎳和 150nm 厚的金構(gòu)成。在 20 個二極管（一半采用鎢電極，另一半采用由鎳制成的電極）上進(jìn)行的電流- 電壓測量顯示，這兩種器件均具有優(yōu)良的均勻性。

 

對于采用鎢陽極的二極管，理想因子（從這些曲線圖中提?。?1.01，而對于采用鎳陽極的二極管變體，理想因子則為 1.02。據(jù)該研究小組說，這些近乎理想的特性表明，肖特基接觸的界面是高度均質(zhì)的，且電流受熱離子發(fā)射的支配。

 

從傳統(tǒng)的鎳接觸轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎面u制陽極，可將接通電壓從 0.60eV 減低至 0.39eV，但是，這會使開關(guān)比（on-off ratio）性能指標(biāo)下降，從 1010 跌至 108。

 

研究人員發(fā)現(xiàn)，在零偏置條件下，熱離子發(fā)射對漏電流起著主導(dǎo)作用。在采用鎢陽極的二極管中，由于肖特基勢壘高度較低，因此漏電流的數(shù)值高出三個數(shù)量級。如果加大反向偏置，則漏電流的差值降至僅為一個數(shù)量級。出現(xiàn)這種情況的原因是：變程跳躍接替熱離子發(fā)射成為居支配地位的泄漏機理。

 

研究小組今后的目標(biāo)包括優(yōu)化 GaN 外延，旨在將擊穿電壓提高至 1kV 以上，同時保持低的接通電壓。Zhao 表示：“我們將對其他幾種陽極金屬進(jìn)行比較，以尋求在接通電壓和漏電流之間實現(xiàn)更好的平衡。”

 

參考文獻(xiàn)

 

Z. Bian et al. Appl. Phys. Express 12 084004

 

(2019)