垂直GaN肖特基势垒二极管中的电荷传输：导电位错的精确物理模型

Charge transport in vertical GaN Schottky barrier diodes: A refined physical model for conductive dislocations【外文翻译】

摘要—通过测量与温度相关的电流-电压特性，研究了垂直GaN肖特基势垒二极管中正向和反向泄漏电流的电荷传输机制。 结果表明，泄漏电流主要受位错相关的热电子场发射（TFE）支配。 主要的传输路径是位错核心周围的减小的局部导带，而不是连续的缺陷状态。 针对GaN中的导电位错建立了精细的现象学物理模型，强调了1）围绕位错核心的表面施主在电离后势垒区域显著收缩，从而导致严重的TFE漏电； 2）可能负责TFE的供体在300 K时的典型密度为~1×1018 cm-3，活化能为~78 meV； 3）施主位点的势垒高度在300 K时约为0.65 eV，相对于没有位错的区域，势垒高度降低了约0.4 eV。

关键词：GaN肖特基二极管，导电位错，热电子场发射，表面施主

1、介绍

由于存在高密度的螺纹位错，基于GaN的肖特基势垒二极管（SBD）的泄漏电流比预期的高得多，这严重降低了电气性能和长期可靠性[1-3]。 显微镜研究表明，这种泄漏传导与位错引起的传导状态有关[4-5]。 Miller等人将反向漏电流归因于沿位错的电子的两步陷阱辅助隧穿或电子的一维可变范围跳变[6]。 Kar-malkar等人认为，陷阱辅助隧穿是500 K以下温度下的主要电流机制[7]。 张等人提出，Fowler-Nordheim（FN）隧穿是低温（T <200 K）的主要机制，而Frenkel-Poole（FP）将电子发射到连续的缺陷状态是高温下的主要运输过程（T> 200 K）[8]。 但是，Peta等人详细分析了两种不同的主要传输机制，分别是在低温（<260 K）和高温（> 260 K）时的变程跳跃（VRH）和FP发射传导[9]。 Lei等人认为，来自金属的电子可以通过热场发射（TFE）隧穿成位错相关的连续缺陷状态[10]。 相反，Hashizume等人则认为，表层中的深施主可以形成一个薄的势垒，引起显著的FN隧穿漏电 ，而与氮空位有关的缺陷可能是候选缺陷[11]。

在本项工作中，制造了在块状衬底上生长的垂直GaN SBD。由于非常低的横向电场[12]，该结构的主要垂直漏电流与导电位错相关，与表面缺陷相关的跳变电流可忽略不计。通过测量和分析与温度有关的电流-电压（I-V）特性，可以开发出精确的位错电学模型。本文研究，位错核心周围的浅施主最可能是缺陷，可以有效地缩小表面势垒，导致明显的TFE漏电。 相对于无位错的GaN区，局部导带的能量减小了〜0.4 eV，成为主要的漏电路径。

2、器件制造

通过HVPE生长了厚度约为300μm，电阻率约为0.08mΩ·cm的块状GaN衬底。通过MOCVD生长外延结构。如二次离子质谱（SIMS）所确定，它们由0.5μm n-GaN（〜4×1018 cm-3）和3μm n-GaN（〜2×1017 cm-3）组成。如图1（a）所示，通过计算CL mapping图像中的暗点数，平均位错密度为〜5×106 cm-2。该值远低于蓝宝石衬底上常规GaN晶圆〜1×108 cm-2的典型值，表明晶体质量高。通过电子束蒸发沉积Ti / Al / Ni / Au（30/150/50/300 nm）金属叠层，然后在750℃的中快速热退火60s，以形成欧姆接触。 通过PECVD在上表面沉积400nm的作为场氧化层。

图1.（a）在独立的块状GaN衬底上的GaN外延层的全色CL图像； （b）垂直GaN SBD的截面结构。 图2.根据C-V测量计算出的掺杂剂浓度与结深的关系。 插图显示了1 / C2与V的关系图； 它在x轴上的截距给出了内置电位Vbi。

3、结果和讨论

图3显示了从300 K至400 K测量的垂直GaN基SBD的（a）反向和（b）正向I-V曲线。偏置和温度的关系可以用以下公式描述[13]：

公式1

在这里，是在V = 0 V时从ln（IF）-V图得出的外推电流，而k是玻尔兹曼常数。 测量系统的本底噪声非常低，在室温下约为10-14 A，因此可以高精度确定I0。 数量n是理想因子，反映了通过二极管的主要电荷传输机制：

1）当热电子发射（TE）电流占主导地位时，n非常接近于整数，因此[14]：

公式2

这里A是导电面积，A *〜32 Acm-2 K-2是有效的Richardson常数，是SBH。 因此，反向电流随着温度的增加大约为exp（-Eg / kT），正向电流大约随着exp [-（Eg-qV）/ kT]增加。

2）例如，当隧穿电流为主导时，n远大于1，这可能在空间电荷区域内部[15]有高密度的缺陷状态时发生。

图3.（a）垂直GaN SBD中反向和（b）正向温度相关的I-V曲线。 虚线是基于理想TE机制计算出的反向饱和电流。

公式3a

公式3b

这里〜1.5×1013 s-1是德拜频率，m * = 0.2m0是GaN中的有效电子质量，εs=8.9ε0是GaN的介电常数，E0是特征能量，N * D是有效施主密度，D是有效缺陷密度。 等式 （3a）表明I0的温度依赖性主要由D的热激活行为决定。

3）当电流由TE和隧穿分量组成时，n略大于1，可以表示为[16]：

公式4a

公式4b

公式4c

公式4d

这里，E00是能量参数。 与纯隧穿和TE体制相反，高温下TFE电子受到小的隧穿势垒的影响，这大概在能量上具有峰值隧穿的可能性。

公式5

其中，Em是从中性点的Ec开始测量的。

图4.（a）提取的理想因子，（b）理论和实测的反向饱和电流与温度的关系 图5.具有大背电极的垂直GaN肖特基二极管中电子流的示意图。

图4（a）显示了n值随温度变化的函数，该值取自图3中电流与温度曲线的斜率。从300 K到400 K，n〜1.12的观测值略大而不是单一的，并且对温度不敏感，这表明正向电流主要是由于TFE传输引起的。图4（b）比较了不同温度下的实验和理论反向饱和电流。测量值比简单TE理论的理想预测值高大约两个数量级，这表明存在显著的隧穿分量。由于没有检测到明显的电流波动，因此可以消除测量噪声效应的影响[17]。尽管背面的Ti / Al / Ni / Au电极比肖特基金属大得多，但它只能产生显著的横向电流，其分布远离肖特基界面[18]，如图5所示。因此，其对IV特性的影响可以忽略。I-V响应主要由肖特基界面的特性决定，肖特基界面的场方向垂直于垂直结构中的金属表面。 我们得出结论，正向电流显然由TFE支配。