氮化镍的制备及其在GaN基电子器件中的应用

• 作 者: 李小波
• 机 构: 北京邮电大学
• 出 处: 北京邮电大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 氮化镓 反应磁控溅射 氮化镍 肖特基势垒二极管 温度传感器 场效应晶体管

随着信息技术的发展,无线电力传输作为一种重要的电源技术而引起了人们的广泛关注。肖特基势垒二极管（Schottky batrrier diode,SBD）是微波无线电力传输系统中天线整流电路的关键器件,广泛用于电动汽车的充电,能量收集系统,电源和建筑物内无线配电等。与硅（Silicon,Si）和砷化镓（Gallium arsenide,GaAs）等第一二代半导体材料相比,氮化镓（Gallium nitride,GaN）基材料表现出许多优异的特性,包括大的禁带宽度,更高的击穿场,更高的电子迁移率和更高的电子饱和速度。因此GaN SBD在提高微波无线电力传输系统的效率方面引起了人们极大的关注。然而,目前商业常用的镍（Ni）阳极GaN SBD在热处理后会在Ni和GaN界面形成Ni-N合金（Ni3N、Ni4N和Ni等的混合物）,从而导致稳定性下降。因此,迫切需要更为稳定的肖特基接触材料用来代替Ni。同时,在静态导通和开/关切换的周期变化过程中的严重热积累会导致较高的结温,将严重损害器件的安全可靠的工作,因此对功率器件的结温测量在许多应用中起着至关重要的作用。许多研究表明,可以通过使用热稳定良好的SBD或pn二极管（PND）监检测器件的结温。然而,二极管温度传感器的感测能力基于正向电压与温度的线性关系,因此需要良好的热稳定性和线性。GaN基电子器件良好的热稳定性和强烈的温度依赖性,显示出其在温度传感方面的巨大应用潜力。本论文讨论了氮化镍（Nickel nitride,NixN）的制备和在GaN基电子器件中应用,同时分析了 GaN基pn二极管（pndiode,PND）和SBD的温度传感机理。主要研究内容和创新研究成果总结如下:1、利用磁控反应溅射技术,在室温条件和射频模式下,反应室通入氮气（N2）和氩气（Ar）的混合气体,在Si和蓝宝石衬底上成功制备了氮化镍（Nickel nitride,NixN）薄膜材料。其中,控制Ar气流量（15 sccm）和分压（0.107 Pa）恒定,改变 N2 分压（Partial pressure ofN2,P（N2））（0.005 Pa、0.014 Pa、0.023 Pa、0.046 Pa、0.069Pa、0.115 Pa、和0.184Pa）。随着P（N2）的增加,NixN薄膜的沉积速率降低,电阻率变大,表面粗糙度均方根增加。X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）摇摆曲线和X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectra,XPS）表明,在低 P（N2）和中 P（N2）下,Ni4N 和 Ni3N 相分别占主导地位。另外,Ni2N相可以在在高的P（N2）下获得。从能量色散 X-射线光谱（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy,EDS）计算的Ni/N比值与不同P（N2）下的XRD和XPS显示的NixN的相一致。2、利用反应磁控溅射技术,通过标准光刻工艺,在n-GaN上成功制备了不同 P（N2）（0.005～0.184Pa）的 NixN/GaN SBD。测试器件的电流-电压（Current-voltage,I-V）特性显示,在不同的P（N2）NixN/GaN SBD都表现出了良好的整流特性,与传统Ni/GaN SBD相比,NixN/GaN SBD 的肖特基势垒高度（Schottky barrier height,SBH）和开启电压分别增加了 0.03～0.18 eV和0.03～0.15 V。电容-电压特性曲线显示NixN/GaN SBD没有明显的滞后现象,表明其具有良好的界面质量。其中,在P（N2）为0.069Pa时得到的Ni3N/GaNSBD具有较高的肖特基势垒和低的反向漏电流,并且被认为是有应用前景的阳极材料。随温度变化的I-V特性表明,由于抑制了 Ni与GaN之间的界面反应,Ni3N/GaN SBD具有比Ni/GaN SBD更好的热稳定性。此外,具有Ni3N 阳极的GaN二极管具有约1.3 mV/K的灵敏度,显示了其在温度传感方面的应用潜力。3、成功制备了不同面积（阳极直径分别为100 μm、150 μm、200μm和 300μm）的 NiO/GaN PND 和 TiN/GaN SBD,并研究了其在温度传感器的应用。对于NiO/GaN PND,在完全导通状态下,串联电阻和理想因子决定了灵敏度。对于TiN/GaN SBD,串联电阻在完全导通状态下对灵敏度影响则很小。在去除串联电阻贡献后,NiO/GaN PND和TiN/GaN SBD温度传感器的灵敏度随着器件直径的增加而分别降低和增加。在亚阈值状态下,不同直径的两种温度传感器都表现出其灵敏度与相应电流密度之间的高度线性依赖关系,即低电流密度对应于高灵敏度。NiO/GaN PND和TiN/GaN SBD温度传感器在25℃至200℃的温度范围内具有良好的热稳定性和线性度,显示出NiO和TiN是用于温度传感的候选材料。4、研究了 NiN/GaNSBD在温度传感器方面的应用。在亚阈值区域时,对于直径为200μm的NiN/GaNSBD温度传感器,在灵敏度和相应的电流密度之间观察到良好的线性关系。基于GaN基的SBD,通过热电子发射模型,得到了 GaN SBD温度传感器的灵敏度的理论计算值。通过对比TiN,Ni和NiN电极的GaN SBD温度传感器,NiN电极材料的GaN SBD温度传感器具有接近理想的理论灵敏度。5、利用反应磁控溅射技术,通过干法刻蚀技术和标准光刻工艺,成功制备了 Ni3N栅极的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（Hetero-junction Field Effect Transistor,HFET）。与传统的 Ni 栅极 HFET 相比其反向漏电流减小一个数量级,开关比提升两个数量级。