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AlGaN/GaN SBD的基本结构和工作原理

1. AlGaN/GaN SBD基本结构
AlGaN/GaN SBD结构示意图 
图1 AlGaN/GaN SBD结构示意图
 
  如图1(a)所示,最基本的AlGaN/GaN SBD器件的外延材料结构与器件结构。外延结构包括:衬底(目前常用的有蓝宝石或碳化硅)、GaN缓冲层、GaN沟道层、20~30nm AlxGa1-xN势垒层,一般x取0.20~0.30。电极采用如图1(b)的圆对称双电极结构,中心电极为肖特基接触,外侧圆环电极为欧姆接触。
 
  2. 金属半导体接触
  对于金属和半导体,在绝对零度时,费米能级EF以下所有能级都被电子填充,而高于EF的能级是空的。要使电子从材料中逸出,必须给以足够能量。一个初始能量EF的电子,从金属内部逸出到真空能级W0所需的能量,称作金属功函数Wm,表示为:
Wm=qΦm=E0-(EF)m      (1)
同样,半导体功函数可以表示为:
Ws=qΦs=E0-(EF)s      (2)
因为,在半导体中EF的位置随掺杂浓度而改变,因此Ws是关于掺杂浓度的函数。为此,引入一个只与半导体材料种类相关的参数,电子亲合能χ,
χ=E0-Ec       (3)
其中Ec是导带底能级。图2(a)所示为金属与一n型半导体接触前的能带示意图,并且假定Wm>Ws
金属-半导体接触能带示意图 
图2 金属-半导体接触能带示意图
 
  金属与半导体紧密接触时的能带图见图2(b)。由于接触前二者费米能级不相等,接触后半导体内的电子向金属一侧流动,直至平衡状态,二者费米能级达到统一。这个过程降低了金属一侧的电势,提高了半导体一侧的电势,在半导体表面形成由金属指向半导体的电场,使能带向上弯曲,形成阻挡电子运动的势垒,这就是金属-半导体肖特基接触。金属一侧的势垒高度为
b=qΦm−χ      (4)
半导体一侧的势垒高度为
qVbi=q(Φm−Φs)      (5)
其中Vbi为接触电势差。
 
  当金属接电源正极,半导体接负极,即正向偏压V时,半导体的费米能级上升qV,半导体一侧的势垒高度降低了qV,如图3(a)。由于半导体一侧的势垒高度降低,从半导体流向金属的电子数目增加,而从金属流向半导体的电子数目不变,因此产生从金属到半导体的电流,此为正向导通状态。外加电压增大,则势垒继续下降,正向电流也就越大。当金属加负向偏压V时,半导体费米能级下降qV,半导体一侧的势垒高度降低了qV,如图3(b)。由于半导体一侧的势垒高度增加,从半导体流向金属的电子数目减少,从金属向半导体流入的电子数目仍然保持不变,由此形成从半导体到金属的反向电流。由于金属中的电子要越过的势垒qΦb很高,因此能够翻越势垒到达半导体的电子数目非常少,即流向金属的反向电流很小,这是反向截止状态。以上所讨论的就是肖特基接触的整流特性。
外加电压对肖特基接触的影响 
图3 外加电压对肖特基接触的影响
 
  如果忽略表面态的影响,当金属与n型半导体接触时,且Wm<Ws,电子由金属流向半导体,半导体表面有一从半导体指向金属的电场,使半导体表面能带向下弯曲,形成反阻挡层。反阻挡层电阻非常小,当外加电压时,电子可以几乎无障碍的在金属和半导体之间流动,这就是欧姆接触。但是,由于GaN基材料禁带宽度大,且表面存在大量的表面态,无法形成理想的金属-半导体欧姆接触。所以一般采用隧穿机制形成欧姆接触。
 
  3. 半导体表面性质对金属半导体接触的影响
  由于材料的非理想型、材料结构的中断、器件表面氧化及其它原因,在实际制成的器件中会存在一些电荷和陷阱而恶化器件性能,其中影响比较大的是表面态和表面氧化层。
 
  表面态的产生是由于晶格的周期性被破坏,因此产生悬挂的原子共价键,以及材料缺陷等,其对应的能级称为表面能级。一般表面态在半导体禁带中有一定的分布,存在一个距离价带顶为qΦ0的表面能级,如图4。
表面态存在时的金属-半导体接触能带图 
图4 表面态存在时的金属-半导体接触能带图
 
  当半导体表面不存在或者存在较低浓度的表面态时,金属和半导体两侧的势垒都与金属功函数有关,见图4(a)。但当表面态密度很高时,只要费米能级高出qΦ0,在表面态上就会积累很多电荷。为保证系统的平衡,表面处能带弯曲使EF与qΦ0相等,金属和半导体两侧的势垒高度分别为
b=Eg−qΦ0
            qVbi=Eg−qΦ0−qΦn      (6)
  由上式可知,势垒高度与金属功函数无关,而由半导体的表面性质所决定。这就是高密度表面态所致的半导体表面费米能级钉扎作用。
 
  半导体暴露在空气中会迅速与空气中的氧反应,在表面生成氧化层。此氧化层不是足够薄时,就会对金属半导体接触产生影响。首先,由于界面氧化层的存在,半导体表面电场强度下降,半导体能带的弯曲程度小于理论值,即肖特基势垒高度要小于理想情况下的肖特基接触。此外,氧化层的存在提高了半导体一侧电子所要翻越的势垒高度,如图5所示,使正向电流小于理论值,同时有一部分电压落在氧化层上,损失了这部分电压对电流的控制作用。
表面氧化层存在时金属半导体接触能带示意图 
图5 表面氧化层存在时金属半导体接触能带示意图
 
  4. AlGaN/GaN SBD工作原理
  AlGaN/GaN SBD最基本的工作原理是利用金属-半导体肖特基接触的单向导电性,金属与AlGaN/GaN接触时,在金属一侧形成势垒qΦb,在半导体一侧的势垒高度为qVbi,AlGaN/GaN SBD的能带结构图6所示。与普通体材料不同的是,在AlGaN/GaN异质结界面处,由于AlGaN与GaN禁带宽度的不同,能带发生突变,由此产生的极化效应使界面处形成准三角势阱,大量电子被限制在该三角阱内,见图6(b)。这些电子在垂至于异质结界面的方向上是量子化的,而在平行于异质结界面的方向上是自由运动的,这就是二维电子气(2DEG)。2DEG具有极高的浓度和电子迁移率,使AlGaN/GaN异质结结构成为制作横向GaN基SBD器件的最佳选择。
AlGaN/GaN SBD能带示意图 
图6 AlGaN/GaN SBD能带示意图
 
  肖特基势垒中电流的输运主要包括热电子发射和隧穿效应两种机理。热电子发射机制的原理是,当提供足够的热运动能量,半导体一侧的电子越过势垒进入金属内。但是AlGaN势垒层厚度很小,通常只有20~30nm,即使电子不能获得足够的能量翻越势垒,也可以通过隧穿的方式穿越势垒到达金属,这就是隧穿机制。同时,因为GaN基材料属于异质外延,材料中存在大量的缺陷,这些缺陷也提供了电子的隧穿通道。
 
  肖特基势垒的电流-电压(Intensity-Voltage,I-V)关系可以表示为:
计算公式
其中h为普朗克常数,m*为电子有效质量。
 
  n是理想因子,当n=1时,表示是理想的肖特基接触,电流输运完全是热电子发射,但由于隧穿电流和其他原因产生的漏电的存在,实测的n会偏离1。实际中,我们希望n能够尽量接近1。

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