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半导体技术 2019年第6期44卷 426-432页

作者：吴昊康玄武杨兵张静赵志波孙跃郑英奎魏珂闫江北方工业大学信息学院北京100144 中国科学院微电子研究所北京100029

研究了无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管(SBD)的正向电流输运机制。分别采用Ni/Au和TiN作为阳极金属材料制备了无凹槽AlGaN/GaN SBD,对比了两种SBD的直流特性。并通过测量器件的变温I-V特性,研究了器件的正向电流输运机制。结果表明,TiN... 详细信息

研究了无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管(SBD)的正向电流输运机制。分别采用Ni/Au和TiN作为阳极金属材料制备了无凹槽AlGaN/GaN SBD,对比了两种SBD的直流特性。并通过测量器件的变温I-V特性,研究了器件的正向电流输运机制。结果表明,TiN-SBD(0.95 V@1 mA·mm^(-1))与Ni/Au-SBD(1.15 V@1 mA·mm^(-1))相比实现了更低的开启电压,从而改善了正向导通特性。研究发现两种SBD的势垒高度和理想因子都强烈依赖于环境温度,通过引入势垒高度的高斯分布模型解释了这种温度依赖性,验证了正向电流输运机制为与势垒高度不均匀分布相关的热电子发射机制。

关键词： AlGaN/GaN 肖特基势垒二极管(SBD) 正向电流输运机制 TiN 势垒高度无凹槽

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氮化镓二极管仿真与机理研究

氮化镓二极管仿真与机理研究

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作者：吴昊北方工业大学

学位级别：硕士

与传统的硅材料相比,氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料的代表,具有禁带宽度大、饱和电子速度高、介电常数小和击穿电场高等特点。而采用AlGaN/GaN异质结形成的肖特基二极管(SBD)非常适合在高温、高频以及高功率等工作环境下应用,从而在... 详细信息

与传统的硅材料相比,氮化镓(GaN)作为宽禁带半导体材料的代表,具有禁带宽度大、饱和电子速度高、介电常数小和击穿电场高等特点。而采用AlGaN/GaN异质结形成的肖特基二极管(SBD)非常适合在高温、高频以及高功率等工作环境下应用,从而在射频和电力电子领域具有非常好的应用前景。常规的高性能AlGaN/GaN肖特基二极管通常采用刻蚀势垒层的方法来实现,但这会造成势垒层表面的损伤,从而影响器件的可靠性。采用非刻蚀工艺的无凹槽AlGaN/GaN肖特基二极管能避免这些问题,从而具有良好的可靠性。但是目前针对无凹槽结构的研究较少,因此本文主要在机理和仿真方面对无凹槽结构的AlGaN/GaN肖特基二极管进行了研究。首先,本文利用Silvaco-ATLAS仿真软件仿真优化了无凹槽AlGaN/GaN SBD的结构参数,仿真的结构参数包括势垒层厚度、金属功函数和Al组分。首先分析了势垒层厚度的变化对器件特性影响,得出了器件的最佳势垒层厚度;接着分析了阳极金属功函数的变化对器件的影响,并对金属功函数做了折衷选择;最后,分析了Al组分的变化给器件特性带来的变化和其变化的内部机理,仿真结果表明最佳的Al组分为25%。其次,制备了阳极金属分别为Ni/Au和TiN的无凹槽AlGaN/GaN异质结肖特基二极管,并对其正向电流传输机制进行了研究。分析表明,采用热电子发射模型计算得到的理想因子和势垒高度与温度呈强相关性,这与传统热电子发射理论不符。通过引入高斯分布的势垒高度模型,解释了肖特基参数的强温度依赖性,并分别提取了Richardson常数,高斯分布的标准差和更准确的平均肖特基势垒高度。高的标准差表明不同阳极金属的肖特基势垒高度都存在高的不均匀性,分析推断势垒高度的不均匀性可能来源于AlGaN中的螺位错。最后,针对制备的无凹槽AlGaN/GaN肖特基二极管,又研究了TiN-SBD的反向电流传输机制。研究表明,不同温度下主导反向电流的传输机制不同。高温下,证明了TiN-SBD反向漏电流由氮空位相关陷阱的Poole-Frankel(PF)发射机制所主导,并通过氮扩散原理解释了氮空位来源于AlGaN势垒层中氮向阳极金属的扩散。中低温下,反向漏电流的传输机制符合Fowler-Nordheim(FN)隧穿,但发现FN隧穿势垒高度的提取值远低于理论值。针对此现象对FN隧穿模型进行了修正,该模型强调势垒高度的不均匀分布导致了FN隧穿电流只发生在具有最低势垒高度的一小部分区域(可称之为FN泄漏区)。修正后,FN隧穿模型的拟合结果与实验数据相当吻合,验证了FN泄漏区的存在。

关键词： AlGaN/GaN异质结肖特基二极管电流传输机制无凹槽

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