采用鎢制觸點(diǎn)替代 GaN 肖特基勢(shì)壘二極管中的傳統(tǒng)觸點(diǎn)可降低接通電壓。
通過(guò)采用鎢觸點(diǎn)，中國(guó)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(shì)壘二極管的性能。工程師們聲稱，對(duì)于具有 100 V 或更高擊穿電壓的此類二極管的變體，鎢陽(yáng)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(gè)重要方面是識(shí)別和確定反向漏電流機(jī)理。他認(rèn)為，隨著反向偏置的增加，起主導(dǎo)作用的泄漏機(jī)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(lái)自于對(duì)準(zhǔn)垂直（quasivertical）結(jié)構(gòu)GaN肖特基勢(shì)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(yáng)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(gè)觸點(diǎn)。
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(gè)缺點(diǎn)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(shí)，與這些缺點(diǎn)“分庭抗禮”的是準(zhǔn)垂直設(shè)計(jì)所具備的幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。Zhao 說(shuō)：“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(gè)電極位于晶圓片的同一面，因此這種架構(gòu)適合設(shè)計(jì)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(jī)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(shì)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(zhǎng)一個(gè) 2μm 厚的未摻雜 GaN 層，接著生長(zhǎng)一個(gè) 3.5μm 厚的重?fù)诫s GaN 層，最后是生長(zhǎng)一個(gè) 1.3μm 厚的輕摻雜 GaN 層。隨后的臺(tái)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(guò)在氮?dú)庵羞M(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(gè)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(gè)除電極之外其他方面完全相同的器件?？刂破骶哂幸粋€(gè)傳統(tǒng)電極，由 45nm 厚的鎳和 150nm 厚的金構(gòu)成。在 20 個(gè)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(cè)量顯示，這兩種器件均具有優(yōu)良的均勻性。
對(duì)于采用鎢陽(yáng)極的二極管，理想因子（從這些曲線圖中提取）為 1.01，而對(duì)于采用鎳陽(yáng)極的二極管變體，理想因子則為 1.02。據(jù)該研究小組說(shuō)，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(yáng)極，可將接通電壓從 0.60eV 減低至 0.39eV，但是，這會(huì)使開(kāi)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(duì)漏電流起著主導(dǎo)作用。在采用鎢陽(yáng)極的二極管中，由于肖特基勢(shì)壘高度較低，因此漏電流的數(shù)值高出三個(gè)數(shù)量級(jí)。如果加大反向偏置，則漏電流的差值降至僅為一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(jī)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(shí)保持低的接通電壓。Zhao 表示：“我們將對(duì)其他幾種陽(yáng)極金屬進(jìn)行比較，以尋求在接通電壓和漏電流之間實(shí)現(xiàn)更好的平衡。”
參考文獻(xiàn)
Z. Bian et al. Appl. Phys. Express 12 084004
(2019)
