位错对金属GaN肖特基接触界面漏电的影响机制研究

For GaN-based metal semiconductor field-effect transistors, power rectifiers, and ultraviolet photodetectors, Schottky contacts are the key element for device operation at high power and low leakage current. However, obtaining high-quality Schottky contacts on GaN with reproducible low leakage current and high reliability remains a major technological challenge. Large leakage currents through Schottky contacts not only impede device reliability, but also degrade device power efficiency and noise performance. Therefore, it is necessary to do further research on the leakage mechanism of Schottky contacts. In this project, the vertical GaN-based Schottky diode will be firstly fabricated on the GaN free-standing substrate, and then a direct correlative study between the performance of a specific diode and the material quality of its active layer will be carried out. The influence mechanisms of threading dislocations, including screw dislocation, edge dislocation, and mixed dislocation, and their locations within Schottky contacts, on the leakage current of Schottky contacts will be investigated. In addition, the leakage mechanism of Schottky contacts without dislocation will also be studied.

金属GaN肖特基接触是GaN器件中非常重要的单元结构，目前许多GaN器件中肖特基接触的反向漏电流都远高于经典模型的理论计算值，漏电流过大将会对器件的诸多关键性能如可靠性、寿命、功率损耗等产生不利影响。为了能减小漏电流，进一步提升器件性能，有必要深入研究影响GaN基肖特基接触漏电流的关键因素。目前研究者普遍认为GaN材料中的位错对肖特基接触的漏电流有着重要影响，但其所起到的关键作用还不是很清楚，也存在很多争议。本项目拟以低位错密度的GaN自支撑衬底为基础制备垂直结构的肖特基二极管，然后在对肖特基接触界面宏观漏电特性测试的基础上，开展微观的表征测量，并综合两者的结果来系统地研究位错对肖特基接触漏电流的影响机制，确定不同类型的位错以及位错的分布位置、聚集状态等对漏电流的影响，以及在无位错情况下肖特基接触界面的漏电机制。研究成果的取得将有助于控制减小GaN器件的漏电流，从而进一步提升器件的性能。

本课题以利用高质量的GaN自支撑衬底为基础，制备出了垂直结构的肖特基势垒二极管，并针对器件的反向电流电压特性开展了深入研究，分析了载流子在正反向电场作用下的输运机制，并借助课题组内先进的纳米尺度微观结构表征技术，研究了样品中的位错、缺陷等对器件性能的影响，揭示器件漏电流的来源以及影响器件耐压值的关键因素。该项目研究成果的取得将为实现新型纵向垂直结构GaN基功率二极管提供理论和实验基础，有助于推进我国GaN 基大功率器件的发展，抢占未来微电子领域的研究制高点。.主要研究结论及结果包括：.（1）利用HVPE系统生长的高质量GaN 自支撑衬底实现纵向垂直结构GaN 肖特基二极管的制备，其中尺寸为50μm 的肖特基二极管的最小正向导通电阻为0.94mΩ•cm2，正向电流密度为100A/cm2 时的开启电压为0.87V。通过结终端保护技术，将器件反向耐压值提高到约500V。采用了与CMOS器件工艺兼容的无金参与工艺制备的垂直型GaN基肖特基二极管，开启电压、击穿电压和导通电阻分别达到0.69V、1200V、7mohm.cm-2。.（2）分析了器件在正反向电场作用下的输运特性，并研究了自支撑GaN材料中的微观缺陷结构对基于其制备的肖特基二极管反向漏电的影响。利用阴极荧光谱并结合特殊设计的肖特基电极，发现器件内的划痕状缺陷带会导致器件反向漏电流的增大，这些划痕状缺陷带很可能是在对GaN自支撑衬底进行机械抛光时对其亚表面造成的损伤。.（3）系统研究了垂直型GaN基肖特基二极管的反向恢复特性。研究发现：GaN肖特基二极管的反向恢复时间随器件面积的增大而增大，电路的RC时间常数是影响反向恢复时间的主要因素。另外，为了研究不同温度对垂直型GaN基肖特基二极管的反向恢复特性的影响，实验发现：相对于Si二极管，GaN肖特基二极管的反向恢复时间随温度的升高基本不发生改变，这是因为GaN材料的禁带宽度很大，本征激发受到很大限制所导致的，这证明了GaN材料很适合用来制备高温、大功率器件以及需要在较大的温度变化范围内稳定工作的器件。