《Materials Science in Semiconductor Processing》：Mechanism analysis of performance enhancement in GaN terahertz Schottky barrier diodes by post-anode annealing
编辑推荐：
GaN太赫兹肖特基二极管后阳极退火工艺显著提升击穿电压（15.14 V→23.70 V），机制涉及界面态密度降低和合金化形成，通过HRTEM/AFM证实金属诱导带尾态抑制，为高功率太赫兹源提供新方案。
任岩|倪一强|宋旭波|顾国东|吕远杰|余永涛|李银乐|庞超|冯志宏|周胜泽|刘宏辉
北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，中国北京 100191
摘要
在本研究中，我们通过后阳极退火（PAA）工艺显著提高了GaN太赫兹（THz）肖特基势垒二极管（SBDs）的性能。GaN THz SBDs的击穿电压从15.14 V提高到了23.70 V，有效提升了器件的功率密度。Ni/Au界面的退火机制表明，PAA工艺显著减轻了肖特基势垒的不均匀性，并降低了界面态密度（N(SS）。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）图像显示Ni/GaN界面发生了合金化现象。同时，三角形金属簇沿台阶流动方向的排列表明，PAA工艺有效抑制了由于台阶流动形态在Ni/GaN界面产生的金属诱导能隙态，从而促进了高质量Ni/Au接触的形成。这一机制显著提升了GaN THz SBDs的性能。因此，这种方法为高功率THz源应用提供了一种有效的解决方案。
引言
太赫兹（THz）技术在无线通信、生物医学诊断、天体物理学、大气遥感和雷达系统等多个领域得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。这些进展得益于固态THz倍频器的开发。基于肖特基势垒二极管（SBDs）的THz倍频器因其紧凑的尺寸、宽的带宽和能够在室温下工作的能力而被选为固态THz源的核心组件[[4], [5], [6]]。最初的THz倍频器使用基于GaN的THz SBDs，因为它们具有较高的转换效率和高截止频率[[7], [8], [9], [10]]。Farran Technology Ltd.设计了一种192 GHz的频率倍频器，实现了91 mW的输出功率和45.1%的超高效率[7]。然而，基于GaN的THz SBDs的低击穿电压（VBV）限制了THz倍频器的输出功率[6,11]。
近年来，由于GaN THz SBDs具有更高的VBV和更好的热导率性能[5,6,[12], [13], [14], [15]]，其输出功率得到了显著提升。目前最先进的THz倍频器在151 GHz和216 GHz时能够提供超过瓦级的输出功率[14, 15]。并行多级功率合成技术是一种提高THz倍频器输出功率的方法[8]。然而，这种方法带来了尺寸增大、损耗增加、合成匹配设计更为复杂以及需要多个输入端等缺点。Virginia Diodes, Inc.利用功率合成技术在250 GHz和262 GHz下实现了250 mW的输出功率[16]。当前的固态THz倍频器仍无法满足高功率THz源的需求。提高THz SBDs的VBV是提升THz倍频器性能的最有效策略。
后阳极退火（PAA）工艺通过减轻蚀刻引起的损伤并改善金属-半导体（M-S）接触的质量，成为提升GaN器件性能的有效方法[[17], [18], [19]]。然而，与PAA工艺相关的性能提升机制在GaN器件中的具体机制尚未得到充分阐明。在本研究中，我们通过PAA工艺实现了GaN THz SBDs性能的提升。此外，基于电学性质、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和原子力显微镜（AFM）分析，研究了Ni/Au界面的退火机制。合金效应主要通过降低Ni/GaN界面的界面态密度（N(SS）来提升GaN THz SBDs的性能。
实验细节
实验细节
GaN THz SBDs和GaN SBDs的剖面图分别如图1(a)和(b)所示。n-GaN外延层是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在SiC衬底上生长的。从下到上，GaN外延结构由2微米厚的非故意掺杂（UID）GaN缓冲层、1.5微米厚的n+GaN层（[Si] = 8 × 10^18 cm^-3）和180纳米厚的n-GaN层（[Si] = 5 × 10^17 cm^-3）组成。GaN THz SBDs的制备首先从台面隔离开始。
结果与讨论
在室温下测量了有无PAA处理的GaN THz SBDs的电流-电压（I-V）和电容-电压（C-V）特性。分析了器件在低泄漏区域的工作要求，即器件的软VBV（定义为电流为1 μA时的电压）。图2(a)展示了有无PAA处理的GaN THz SBDs的VBV比较。PAA工艺将VBV从15.14 V提高到了23.70 V，从而显著提升了高功率性能
结论
在本研究中，通过PAA工艺显著提升了GaN THz SBDs的性能。此外，基于温度和频率依赖的电学性质研究了Ni/Au界面的退火机制。PAA工艺有效减轻了肖特基势垒的不均匀性，并降低了Ni/Au界面的N(SS)，从而显著提高了Ni/Au界面的接触质量。HRTEM和AFM图像清晰地证明了界面发生了合金化
作者贡献声明
任岩：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据整理。倪一强：方法论、资金获取。宋旭波：验证、资源提供。顾国东：验证、资源提供。吕远杰：资源提供、研究。余永涛：可视化、研究。李银乐：项目管理。庞超：验证、正式分析。冯志宏：资源提供、项目管理、资金获取。周胜泽：可视化、资源提供、项目管理
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金的支持，项目编号为U24A20298。
