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研究生： 李存善
Lee, Chun-Shan.
論文名稱： 低漏電流與低導通電壓之矽基板氮化鎵雙金屬蕭特基二極體
GaN Dual-Metal-Anode Schottky Barrier Diodes on Si Substrate with Low Leakage Current and Low Turn On Voltage
指導教授： 徐碩鴻
Hsu, Shuo-Hung
口試委員: 辛裕明
Hsin, Yue-Ming
黃智方
Huang, Chih-Fang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年： 2018
畢業學年度： 106
語文別： 中文
論文頁數： 68
中文關鍵詞： 氮化鎵 、蕭特基二極體 、低漏電流 、低導通電壓
外文關鍵詞： GaN, Low Leakage Current, Low Turn On Voltage, Schottky Barrier Diodes
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    • 摘要
    氮化鎵 所具有的 寬能隙 (3.4 eV)材料特性 、材料本身的高熱耐性 、以及具備 以及具備 以及具備 以及具備 高電子飽和速度 高電子飽和速度 高電子飽和速度 高電子飽和速度 高電子飽和速度 高電子飽和速度 高電子飽和速度 (1~3×107cm/s)使其可以承受 使其可以承受 使其可以承受 使其可以承受 使其可以承受 使其可以承受 高臨界電 高臨界電 高臨界電 高臨界電 場(3MV/cm)，於高溫壓 環境中也能有很好的表現 ，對於高功率元件 對於高功率元件 的應用 來說擁有相當程度的 優勢，因 優勢，因 優勢，因 此近年來以氮化鋁鎵 /氮化鎵材料為主的電子元件 大量的被關注 ，然而氮化鎵材 料的磊晶並不容易，導致製作成本相當高因此 料的磊晶並不容易，導致製作成本相當高因此 料的磊晶並不容易，導致製作成本相當高因此 料的磊晶並不容易，導致製作成本相當高因此 料的磊晶並不容易，導致製作成本相當高因此 以 GaN-on-Silicon為基板既能 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 夠降低也能保有氮化鎵特點被大量的應用， 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 像是高電子遷移率晶體 (High electron mobility transistor)或是蕭特基二極體 或是蕭特基二極體 (Schottky barrier diode)都是其應用的 例子 。
    因此， 本論文 將會 以氮化鋁鎵 /氮化鎵蕭特基二極體 在矽基板上 為主軸做研 為主軸做研 為主軸做研 為主軸做研 為主軸做研 究與探討 ，分成 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 元件之設計、製造量測分析 等不同段落做討論 。主要研究如 何利用雙金屬陽極的佈局 降低導通電壓， 降低導通電壓， 利用功函數較低的 鈦金屬使陰陽導通電壓降低，並且透過陽極的蝕刻 電壓降低，並且透過陽極的蝕刻 電壓降低，並且透過陽極的蝕刻 使降低導通電壓的效果更好，同時配合功函數較 使降低導通電壓的效果更好，同時配合功函數較 使降低導通電壓的效果更好，同時配合功函數較 使降低導通電壓的效果更好，同時配合功函數較 高的鎳金屬抑制漏電流。
    隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 隨著鈦金屬的比例增加導通電壓會下降，但是漏流也之上升由 此可見一味地增加鈦金屬 的比例並不是良策，因本論文將會利用同此可見一味地增加鈦金屬 的比例並不是良策，因本論文將會利用同此可見一味地增加鈦金屬 的比例並不是良策，因本論文將會利用同比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局比例、鈦金屬 與陰極的距離以及蝕刻位置去做探討。其中較好佈局的比例將可以使 導通電壓從約 0.95V降低 至約 0.42V，但是漏電流會相對地提升 到約 10-5A/mm，順向電流最高可以達到 ，順向電流最高可以達到 0.121 A/mm，最高的崩潰電壓則可以達 ，最高的崩潰電壓則可以達 到 860 V。

    Abstract
    Gallium nitride has the advantages of wide bandgap(3.4eV), high critical electric field(3.4MV/cm), great thermal stability, and high electron saturation velocity(2×107cm/s), which makes it to be operated under high temperature and high voltage.
    However, one issue is the relatively high cost of GaN based materials. In this study, we use GaN-on-Silicon to solve to problem. GaN-on-Silicon can remain the advantages of GaN and reduce the cost. These advantages make gallium nitride devices great for high frequency and high power applications. Such as High electron mobility transistor (Hemts) and Schottky barrier diode(SBDs) are quite popular recently.
    Therefore, this thesis will present the study of AlGaN/GaN Schottky barrier diode on the silicon substrate, including device design, manufacturing, measurement, and discussion. It will be mainly focused on how to reduce the turn-on voltage of the Schottky barrier diode and also suppress leakage current by layout design. We use titanium metal which has low work function to reduce the turn-on voltage of Schottky barrier diode. Also, nickel with a higher work function is used to suppress leakage current.
    As ratio of titanium in Ti/Au anode increases, the turn-on voltage will be decreased. However, it will also cause the increase of leakage current. Different ratios of Ti/Au with various layout geometries have been evaluated for low turn-on voltage and
    2
    suppressed leakage current. The measured results show that the optimized layout and ratio of Ti/Au will reduce the turn-on voltage from about 0.95V to 0.42V. The highest forward current is 0.121 A/mm, but leakage current will be increased to about 10-5A/mm.
    .

    目次 第1章 緒論 1 1.1研究背景與動機 1 1.2論文架構 3 第2章 氮化鎵材料特性與量測方法 4 2.1氮化鎵材料的基本特性 4 2.1.1寬能隙 5 2.1.2電子飽和速度 7 2.1.3崩潰電壓與導通電阻 8 2.1.4二維電子氣 (Two-dimensional electron gas) 10 2.2量測方法 13 2.2.1傳輸長度量測方法 13 2.2.2緩衝層漏電流測試 16 2.3結果與討論 17 2.3.1不同快速熱退火溫度對歐姆接觸之影響 17 2.3.2不同製程時間對蝕刻深度之影響 18 2.4本章總結 19 第3章 雙陽極金屬之氮化鋁鎵/氮化鎵蕭特基二極體 20 3.1前言 20 3.2文獻回顧 20 3.2.1陽極之矽擴散 20 3.2.2蕭特基掘入(Schottky recess) 21 4.2.3雙蕭特基陽極金屬(Dual Schottky anode metal) 22 3.3元件設計 24 3.4元件製程步驟 27 3.4.1元件隔離平台(Mesa isolation) 28 3.4.2歐姆接觸(Ohmic contact) 30 3.4.3蕭特基掘入(Schottky recess) 32 3.4.4鈦金屬沉積(Deposition titanium metal) 34 3.4.5鎳金屬沉積(Deposition nickel metal) 34 3.4.6鈍化層製作(Passivation)與接線窗口蝕刻(Via etching) 36 3.4.7接線窗口蝕刻(Via etching) 38 3.5結果討論 39 3.5.1 順向偏壓I-V特性 39 3.5.2逆向偏壓漏電流特性 54 3.6本章總結 61 第4章 結論 62 4.1總結 62 4.2未來工作 62 參考文獻 64 圖目錄 圖2-1不同半導體材料在不同溫度下的本質載子濃度[10] 6 圖2-2 Si、SiC及GaN基板材料導通電壓與崩潰電壓之關係圖 9 圖2-3氮化鎵與氮化鋁鎵異質結構介面形成二維電子氣示意圖 10 圖2-4 GaN極化向量示意圖 11 圖2-5鎵原子和氮原子晶格結構示意圖[14] 11 圖2-6 AlGaN/GaN 受到拉伸應力的極化向量[14] 13 圖2-7 TLM概念圖 14 圖2-8 傳輸線長度方法量測圖形 14 圖2-9 四點探針示意圖 15 圖2-10 藉由四點探針量測關於間距-總電阻函數圖 16 圖2-11 緩衝層漏電流量測剖面示意圖 17 圖3-1(a)順向偏壓 I-V特性、(b)逆向偏壓 I-V特性[7] 21 圖3-2一般平面式與蕭特基掘入式二極體結構與對應能帶圖[8] 22 圖3-3一般平面式與蕭特基掘入式二極體之I-V特性[8] 22 圖3-5雙陽極金屬順向偏壓特性[37] 24 圖3-6元件磊晶結構圖 26 圖3-8微影製程流程 27 圖3-9元件高隔離平台結構 29 圖3-10快速熱退火後歐姆接觸示意圖 32 圖3-11完成蕭特基掘入示意圖 33 圖3-12完成鈦金屬沉積結構示意圖 34 圖3-13完成鎳金屬沉積後之元件結構 35 圖3-14完成鈍化層結構示意圖 38 圖3-15窗口蝕刻結構示意圖 38 圖3-16 LTi=10 m、LNi1=5 m和LNi2=15 m，不同蝕刻方式的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 40 圖3-17 LTi=10 m、LNi1=10m和LNi2=10 m，不同蝕刻方式的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 41 圖3-18 LTi=10 m、LNi1=15 m和LNi2=5 m，不同蝕刻方式的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 42 圖3-19 LTi=5 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 44 圖3-20 LTi=10 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 45 圖3-21 LTi=5 m，蝕刻方式B，與不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 46 圖3-22 LTi=10 m，蝕刻方式B，與不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 47 圖3-22 LTi=5 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 48 圖3-23 LTi=5 m，蝕刻方式A，不同LNi1距離的順向電流特性，Ni-anode無蝕刻 49 圖3-24 相同LTi=5 m，蝕刻方式為B，與不同LNi1長度的比較，Ni-anode有蝕刻 50 圖3-25 LTi=10 m，蝕刻方式為B，與不同LNi1長度比較，Ni-anode有蝕刻 51 圖3-26純鎳陽極金屬，不同蝕刻深度的順向電流特性比較圖 53 圖3-27氮化鋁鎵/氮化鎵漏電流路徑示意圖 55 圖3-28 LTi=10 m、LNi1=5 m和LNi2=15 m，不同蝕刻方式的逆向電流特性 56 圖3-29 LTi=10 m、LNi1=10 m和LNi2=10 m，不同蝕刻方式的逆向電流特性 56 圖3-30 LTi=10 m、LNi1=15 m和LNi2=5 m，不同蝕刻方式的逆向電流特性 57 圖3-31 LTi=5 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的逆向電流特性 58 圖3-32 LTi=10 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的逆向電流特性 58 圖3-33 LTi=5 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的逆向電流特性 59 圖3-34 LTi=10 m，蝕刻方式A，與不同LNi1距離的逆向電流特性 59 圖3-35不同金屬長度比例條件之崩潰電壓量測結果 60 表目錄 表 2-1 不同功率元件材料特性比較表[9] 5 表2-2不同材料之α與n對照表[13] 8 表2-3不同快速熱退火溫度之歐姆接觸特性 18 表2-4 RIE蝕刻測試條件 18 表2-5使用BCl3氣體蝕刻結果 19 表3-1鈦與鎳金屬之功函數和蕭特基能障對照表[37] 25 表3-2本章元件Layout設計種類(共有90種組合) 27 表3-3 RIE蝕刻參數 33 表3-4不同介電層材料之特性 37 表3-5 LTi=10 m、LNi1=5 m和LNi2=15 m，不同蝕刻方式的順向電流特性 41 表3-6 LTi=10 m、LNi1=10 m和LNi2=10 m，不同蝕刻方式的順向電流特性 42 表3-7 LTi=10 m、LNi1=15 m和LNi2=5 m，不同蝕刻方式的順向電流特性 43 表3-8 LTi=5m，蝕刻方式A，不同LNi1距離的順向電流特性 44 表3-9 LTi=10m，蝕刻方式A，不同LNi1距離的順向電流特性 45 表3-10 LTi=5m，蝕刻方式B，不同LNi1距離的順向電流特性 46 表3-11 LTi=10m，蝕刻方式B，不同LNi1距離的順向電流特性 47 表3-12 LTi=5m，蝕刻方式A，不同LNi1距離的順向電流特性 49 表3-13 LTi=10m，蝕刻方式A，不同LNi1距離的順向電流特性 50 表3-14 LTi=5m，蝕刻方式B，不同LNi1距離的順向電流特性 51 表3-15 LTi=10m，蝕刻方式B，不同LNi1距離的順向電流特性 52 表3-16 蝕刻深度與表面粗糙度 53

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