原创 【科研速递】KAUST最新研究成果：用于AlGaN肖特基势垒二极管的原子层刻蚀表面处理

沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）报道了利用原子层刻蚀（ALE）技术改善富铝III族氮化物（III-N）肖特基势垒二极管（SBDs）性能的研究成果 [Tingang Liu et al, Appl. Phys. Lett., v126, p152109, 2025]。特别指出的是，使用ALE技术制造的AlGaN SBDs展示了高达1205V的击穿电压，而未经ALE处理的SBDs击穿电压仅为308V。

该团队称：“通过减少界面陷阱和消除自然氧化层，ALE技术可以降低漏电流，使肖特基势垒更加均匀。”

与镓（Ga）等金属相比，铝（Al）的氧化速率更快，因此在AlGaN半导体的金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延结构中，通常会使用GaN帽层来保护下层材料免受氧化。

KAUST团队解释说：“在AlGaN材料中，自然氧化层通常厚度约为1-3纳米。过厚的氧化层很可能是由于高密度的缺陷造成的，这使得表面更容易被氧化。而缺陷表面层是在MOCVD生长过程结束后的腔室冷却阶段形成的，此时腔室内残留的金属有机源会促使其在较低温度下持续生长。”

在金属触点快速热退火等工艺中，缺陷层往往会助长不必要的氧化。ALE工艺能够降低表面缺陷密度，从而减少后续制造步骤中的氧化。ALE还能去除富铝材料暴露在空气中时形成的任何自然氧化层。

通过去除氧化层、缺陷层，KAUST团队希望为“提升基于AlGaN的功率器件在下一代高压应用中的性能和可靠性”指明方向。

研究人员介绍了这种技术的优势：“原子层刻蚀（ALE）技术是一种以原子级精度去除材料的刻蚀策略。与通常在高射频功率（通常超过300W）下操作的传统反应离子刻蚀（RIE）不同，等离子体ALE通常在特定的化学处理后，以较低的离子能量（约10eV）和较低的速率温和地去除材料。这种自限制过程使得ALE能够实现精确的厚度控制和最小的表面损伤。”

增加III族氮化物半导体材料中的铝含量，应能将其带隙从GaN的3.4eV提升至接近AlN的6.2eV。更宽的带隙与更高的击穿临界电场相关，这将能在更小的结构中实现高电压，满足功率处理器件的需求。通过减少表面缺陷，ALE技术可以提高场效应晶体管和 p-n 二极管等其他功率器件类型的性能。

研究人员使用了2英寸的AlN/蓝宝石模板，通过MOCVD先生长出500nm的1300℃AlN外延层，随后生长了200nm的1150℃硅掺杂Al0.86Ga0.14N层。AlN模板层厚度为1μm。根据X射线分析，外延层中的螺位错和刃位错密度分别估计为2.79x10⁷/cm²和3.41x10⁸/cm²。

该团队用激光从外延材料上切割下来的1cm×1cm样品上制造了SBDs（图1）。在制造前，样品先用硫酸/过氧化氢混合溶液清洗，再用由氢氟酸和氟化铵溶液组成的缓冲氧化物刻蚀剂清洗。团队解释说：“这些清洗步骤旨在消除激光切割过程中产生的杂质，并去除样品表面的大部分污染物。”

图1：(a) CTLM图形示意图。(b) 和 (c) CTLM测量结果及用于计算接触电阻率的线性拟合。(d) 参考样品和经ALE处理样品的制造流程；红色箭头指示处理位置。(e) 所制造器件的扫描电子显微镜（SEM）视图。

为了评估欧姆接触的接触电阻率，研究人员使用经过图案化和退火处理的溅射钛/铝/钛（Ti/Al/Ti）金属叠层制作了圆形传输线测量（CTLM）结构。接触电阻率约为2.01x10⁵ Ω-cm²。霍尔测量显示，AlGaN层的方块电阻、载流子浓度和迁移率分别为421kΩ/□、4.3x1016 /cm³ 和 17.4cm²/V-s。

SBDs的欧姆金属阴极与CTLM结构中使用的相同。镍/金肖特基阳极则分别在有或没有 ALE处理的情况下沉积。未经ALE处理的SBD作为参考样品。肖特基金属通过电子束蒸发沉积。

ALE工艺使用牛津仪器（Oxford Instruments）的设备进行。刻蚀循环包括：氯气注入（0.03秒），吹扫（10秒），刻蚀（5秒），以及间隔（0.4秒）。该循环重复100次，根据原子力显微镜（AFM）测量，估计刻蚀深度为10nm。SBD的阳极直径为300μm，与阴极的间距为200μm。

图2：(a) 参考样品和经ALE处理样品的正向电流-电压（I-V）特性。(b) 反向电流-电压（I-V）特性。

经过ALE处理的SBD和参考样品的开/关电流比均为106（图2）。测量点为开启状态10V，关闭状态-5V。经ALE处理的SBD的理想因子为2.15，而参考样品为2.34。ALE处理和参考样品的肖特基势垒高度分别为1.36eV和1.52eV。电容-电压（C-V）测量结果显示，ALE样品的势垒高度更高，为4.85eV，参考样品为5.05eV。

研究人员称：“C-V测量的肖特基势垒高度（SBH）与I-V测量的SBH之间的差异，可能分别源于参考样品表面氧化层中高密度界面态，以及ALE处理过的样品表面等离子体化学过程诱导的界面态。ALE提高了SBDs的理想因子，但导致肖特基势垒高度略有降低。”

器件的击穿特性差异显著：参考样品为308V，而经ALE处理的SBD为1205V。此外，击穿模式也不同：参考样品突破了漏电流限制，而ALE处理的SBD则发生了突然的硬击穿。

图3：通过肖特基势垒的电流流动和击穿机制。

研究人员利用温度变化测量来分析漏电流和击穿机制（图3）。尽管经ALE处理的SBD相比参考样品具有更好的反向偏置性能，但其漏电流的大小仍然过高，不能归因于热电子或热电场发射效应。研究团队认为，导致载流子通过陷阱辅助隧穿（TAT）或变程跳跃（VRH）偷偷穿过势垒的原因是缺陷辅助传导，而不是传统的电极限制传导。温度分析表明，与参考样品相比，TAT对ALE处理的SBD中的影响较小。而VRH分量在两种器件类型中被认为是相当的。团队得出结论，ALE处理主要改善了高电场载流子的传输性能。