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1、V-T的GaN上Ni／Au肖特基接触特性研究第56卷第6期2007年6月1000..3290/2007/56(06)/3483..05物理ACTAPHYSICASINICAVo1.56,No.6,June,2007⑥2007Chin.Phys.Soc.基于和C-的GaN上Ni/Au肖特基接触特性研究*刘杰郝跃'冯倩王)十张进城郭亮良(西安电子科技大学微电子学院,宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安710071)(2006年8月9日收到;2007年1月30日收到修改稿)基于对制作在n—GaN上的肖特基二极管的变温,_测试和0测试,采用表面势垒减薄模
2、型对肖特基二极管的电流输运特性进行了研究.试验结果表明,肖特基接触的电流输运机理非常复杂.在不同的温度条件和偏压条件下有着不同的电流输运机理.在此基础上对肖特基接触,_特性方程进行了修正,得到了很好的拟合曲线.试验表明,高温,-法提取的势垒高度与常温0法提取的势垒高度接近于根据金属功函数得出的理论势垒高度值.关键词:氮化镓,肖特基二极管,表面势垒减薄模型,热电子场发射PACC:7280E,7360L1.引言GaN材料在高温器件和大功率微波器件方面有着非常好的应用前景¨.近些年来GaN材料J,GaN基高频大功率电子器件和光电器件研究取得了非常大的进步,但是
3、通过肖特基接触的泄漏电流过大不但影响器件工作的可靠性,而且会造成器件功率增益和噪声水平的严重退化.早期对肖特基接触的研究都是基于单一的热电子发射理论来解释电流输运,从而得出势垒高度和理想因子.事实上,由于GaN表面不可能是理想的表面,其表面状态非常复杂,造成电子输运的方式也非常复杂.Zhang等人认为近界面处的电子陷阱能级辅助发射是室温下漏电的主要机理J,Sawada等人利用表面缺陷模型(surfacepatchmode1)来解释漏电流过大的原因,他们认为在表面缺陷处肖特基势垒高度下降0.4eV,从而引起漏电流的显着增大.而较多的研究者则采用表面势垒减薄
4、模型(thinsurfacebarriermodel,TSB)来解释电流输运,他们认为总体来看电流输运机理包括热电子发射,热电子场发射和场发射三种,随着工作温度的不同以及肖特基二极管的制作材料差异,其中一种或者两种将会起到主要的作用J.本文研究了n.GaN上制作的肖特基二极管的,C_特性,采用TSB模型对实验现象进行了解释2.实验与测试本文中实验所用的n—GaN样品是采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底基片(0001)面上外延生长的.蓝宝石衬底厚度为330Fm,材料层结构由下而上依次为:300nm未掺杂GaN外延层,600nm的Si掺杂
5、GaN层,在室温下通过Hall测试测得掺杂浓度为5.81×10"cm～,室温下利用C_法测得的自由载流子浓度为5×10cm～.欧姆接触采用电子束蒸发Ti/A1/Ni/Au(20nm/120nm/55nm/45nm),然后在830~CN,氛围中快速热退火,栅金属采用Ni/Au(20nm/200nm).肖特基二极管测试结构内外环直径分别为125Fm和200Fm,使用HP4156B精密半导体参数测试仪测试了器件直流特性,C.测试采用Keithley590C_V分析仪进行,测试频率为100kHz,采用Westbond.K1200D热板对器件进行加温.3.结果与讨
6、论图1(a)显示了n—GaN上Ni/Au肖特基二极管加反向偏压时的温度特性,从图中我们可以看到,随着*国家重点基础研究发展计划(973)(批准号:51327020301,2002CB311904)和西安应用材料创新基金(批准号:XA—AM一200616)资助的课题十通讯联系人.E-mail:yhao@xidian.edu.cn3484物理56卷10—310—410—5《10—6,,10—710—810—91O一10O.2O.4O.6O.8l_0v
7、图1Ni/Au肖特基二极管的,.特性(a)反向特性;(b)正向特性温度的升高,反向漏电流增大,550K时一1
8、0v偏压下反向漏电与300K时相比增大了一个数量级.图1(b)是正向偏压时的温度特性,电流随着温度的上升而增大.GaN材料是宽禁带半导体,其本征载流子浓度非常低,即使在高温下,本征载流子浓度与掺杂浓度相比也非常小,可以忽略不计,所以本文不考虑温度对于GaN材料费米能级的影响.图2为根据,_曲线提取的lg(,/)一1000/T曲线,从曲线上我们看到随着温度的降低,曲线变的越来越平滑.这表明随着温度的升高,电子的激活能越来越大,即使在高温部分(4o0—550K),由曲线拟合出的电子的激活能也只有0.26eV,说明反向电流的输运在低温部分主要是场发射,而高温部
9、分热电子场发射占优势¨.图3所示为利用TSB模型和热电子场发射示意图.TSB模型
