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引言
包括GaN和SiC在內(nèi)的寬帶隙半導(dǎo)體已被證明適用于高功率微波電子器件。AlGaN/GaN基本的研究結(jié)果令人印象深刻。雙極性器件由于其固有的更高功率密度和潛在的更高速度，對(duì)高功率電子器件也很有吸引力。然而，由于普通材料的活化能較大，已經(jīng)證明在GaN膜中實(shí)現(xiàn)高p型導(dǎo)電性非常困難。這導(dǎo)致GaN N-p-n異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)中的基極電阻過(guò)大。在本文中，我們解決了基極電阻的來(lái)源，并提供了這個(gè)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)和理論解決方案。
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介紹
基極接觸電阻
由于半導(dǎo)體的大功函數(shù)以及低的受主電離效率，難以實(shí)現(xiàn)與p-GaN的低電阻歐姆接觸。通常獲得10-3ω-cm2范圍內(nèi)的特定接觸電阻。
最近，提出了一種新型的金屬-半導(dǎo)體接觸，即所謂的極化增強(qiáng)接觸。這一概念基于薄GaN基合金中存在的由極化效應(yīng)產(chǎn)生的大內(nèi)部電場(chǎng)。在這種接觸中，極化感應(yīng)電場(chǎng)增強(qiáng)了典型隧道接觸中空間電荷區(qū)的電場(chǎng)，導(dǎo)致空穴的隧穿距離更短，接觸電阻降低。圖1示意性地示出了這種效果。
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圖1 a)傳統(tǒng)金屬/ p型半導(dǎo)體接觸和b)極化增強(qiáng)接觸的能帶圖
我們考慮生長(zhǎng)在AlGaN層上的GaN薄層的情況，其中GaN具有內(nèi)部極化效應(yīng)產(chǎn)生的電場(chǎng)。假設(shè)金屬和GaN層之間有一個(gè)三角形勢(shì)壘，接觸電阻可以用解析方法計(jì)算，參數(shù)為GaN層厚度d、金屬-半導(dǎo)體勢(shì)壘高度φB和內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度e。圖2顯示了最小GaN層厚度與產(chǎn)生特定接觸電阻所需電場(chǎng)的函數(shù)關(guān)系。
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光電化學(xué)蝕刻
HBT的制造通常包括雙臺(tái)面結(jié)構(gòu)的形成，其暴露基極和集電極區(qū)域用于接觸金屬化。在GaN材料系統(tǒng)中，這通常用某種類型的干法蝕刻技術(shù)來(lái)執(zhí)行。然而，HBT結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到兩個(gè)問(wèn)題。首先，對(duì)于AlGaN/GaN和GaN/SiC發(fā)射極-基極結(jié)，發(fā)射極和基極之間的蝕刻選擇性非常差。這使得難以在發(fā)射極-基極結(jié)處精確地停止蝕刻，這對(duì)于薄的基極層尤其重要。干法蝕刻的第二個(gè)問(wèn)題是表面離子損傷的影響。對(duì)于蝕刻的p-GaN表面，與未蝕刻的結(jié)果相比，觀察到接觸電阻顯著降低。對(duì)于GaN/SiC系統(tǒng)，離子損傷導(dǎo)致發(fā)射極和基極之間的大漏電流。發(fā)射極再生長(zhǎng)等技術(shù)已被證明可以緩解這一問(wèn)題，但會(huì)顯著增加器件制造的復(fù)雜性。顯然，低損傷、摻雜劑選擇性蝕刻技術(shù)對(duì)于HBT制造非常有吸引力。
為了避免這些問(wèn)題，我們選擇利用光電化學(xué)(PEC)蝕刻。這項(xiàng)技術(shù)使用弱電解質(zhì)作為電化學(xué)電池的一部分。紫外光用于在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。假設(shè)被釘扎的表面電勢(shì)和在表面產(chǎn)生的能帶彎曲，空穴在n型半導(dǎo)體中被推向表面，在p型半導(dǎo)體中被推向主體。這在圖3中示意性地示出。
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圖3 電解質(zhì)-半導(dǎo)體界面的能帶圖，顯示了光生電子-空穴對(duì)的能帶彎曲效應(yīng)
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自對(duì)準(zhǔn)基底金屬
自對(duì)準(zhǔn)基極接觸的使用是另一種可以實(shí)現(xiàn)基極接入電阻大幅度降低的制造技術(shù)。這種工藝廣泛用于其他材料系統(tǒng)中的HBT制造，并且通常涉及發(fā)射極的各向異性蝕刻以獲得底切截面。這使得能夠在沒(méi)有掩模的情況下沉積基極接觸，因此基極接觸到發(fā)射極的距離可以遠(yuǎn)小于光刻所施加的限制。GaN的晶體學(xué)濕法化學(xué)蝕刻的最新證明已經(jīng)顯示出產(chǎn)生底切輪廓的能力。這種蝕刻的一個(gè)例子如圖8所示。
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圖8 SEM顯微照片顯示生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的GaN的底切各向異性蝕刻
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結(jié)論
研究了GaN基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中基極電阻的來(lái)源，提出了從新的制造技術(shù)(PEC和晶體蝕刻)到使用AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的解決方案。一種新型的金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸已經(jīng)被提出和論證。這些概念中的每一個(gè)都有可能降低GaN基N-p-n異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中的基極電阻。