JPhysD编辑优选:石墨烯界面工程提升GaN基肖特基二极管特性

02 9月 2020 gabriels

本篇研究来自中国科学院半导体研究所魏同波研究员带领的课题组,文章主要研究了石墨烯插入层对GaN基肖特基二极管器件的影响,石墨烯明显改善了Pt/GaN的界面质量,使得界面势垒均匀化,显著提升肖特基二极管的理想因子、漏电和正向开启等器件特性。


Impact of Graphene Interlayer on Performance Parameters of Sandwich Structure Pt/GaN Schottky Barrier Diodes

Junxue Ran(冉军学), Bingyao Liu(刘秉尧), XiaoliJi(姬小利), A. Fariza, Zhetong Liu(刘哲彤), Junxi Wang(王军喜), Peng Gao(高鹏) and Tongbo Wei(魏同波)

通讯作者:

  • 魏同波 中国科学院半导体研究所

 

肖特基势垒二极管(SBD)如图1所示,在n-GaN和肖特基接触金属Pt/Au之间插入一层石墨烯(Gr),采用光刻剥离技术制备了Pt/Gr/GaN半垂直结构SBD器件,并与没有Gr插入层的Pt/GaN SBD进行对比。所测量的器件电流-电压(I-V)和电容-电压(C-V)特性结果如表1所示,可以看到,在室温下,Pt/Gr/GaNSBD具有较低的开启电压(Von)、导通电阻(Ron)和理想因子(n),肖特基势垒高度(SBH)有所提高,反向漏电降低,表明石墨烯插入层提高了器件的整流特性和肖特基接触均匀性。通过能带理论计算分析,Pt/Gr接触层的功函数发生变化,石墨烯插入层改变了接触界面势垒高度。对比分析了两种器件的变温I-V特性,如图2所示,Pt/GaN SBD表现出明显的T0反常现象,随着温度的升高,势垒高度增大,理想因子逐渐减小,这是肖特基接触势垒空间不均匀的表现;对于Pt/Gr/GaN SBD,理想因子和势垒高度随温度的变化波动很小,表明石墨烯插入层有利于表面势垒均匀化,提高了肖特基界面质量。本文为提高氮化物SBD性能开辟了一条新途径,对于石墨烯在半导体集成方面的研究和应用具有重要意义。

图1 Pt/Gr/GaN半垂直SBD器件结构示意图

图2 (a) Pt/GaN SBD和 (b) Pt/Gr/GaN SBD变温正向I-V特性曲线,其中内插图显示I-V-T数据得出的Richardson曲线。(c) 两种器件的理想因子和势垒高度随温度的变化关系曲线

 

研究背景

以GaN为代表的第三代半导体在高频大功率器件领域应用潜力巨大,GaN基肖特基二极管具有包括高反向击穿电压、低开启电压、低导通电阻等优势,在电子开关器件有广泛的应用前景,但由于材料缺陷等问题,目前在肖特基接触性能方面还有很大提升空间。

石墨烯(Gr)是一种很好的扩散势垒材料,在金-半之间石墨烯插入层起到了扩散势垒的作用,可避免金-半界面反应,形成陡峭界面。因此,石墨烯与半导体肖特基接触的这些重要特性,是解决氮化物半导体肖特基器件接触不均匀等问题的潜在有效技术途径。我们制作了Pt/Gr/GaN结构肖特基二极管,系统研究了肖特基接触中石墨烯插入层对整流特性的影响。


魏同波,中科院半导体研究所研究员、博士生导师,中科院青促会会员。主要研究方向为宽禁带半导体氮化物材料外延与光电器件,包括可见与深紫外LED、日盲探测器等。作为第一或通讯作者在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等杂志发表SCI论文80余篇。