第七卷 第四期 - 2009年一月十六日
以p-型氮化鋁鎵作為阻檔層之氮化鎵高抗靜電能力系列異質結構p-i-n光檢測器
劉醇星1, 林建德2, 柯淙凱3, 張守進3,*, 孫永興4

1南榮技術學院電子工程學系
2立德大學資訊傳播系所
3國立成功大學電機資訊學院微電子工程研究所、微奈米中心、尖端光電科技中心
4Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum, Dongying City, Shandong 257061, China
q1895111@mail.ncku.edu.tw

Journal of The Electrochemical Society, 155(4) H232-H234 (2008)

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於製作於藍寶石基板上之氮化物元件,electrostatic discharge (ESD)現象是個嚴重的問題。氮化物之光檢測器操作於高溫或高濕度環境下[1]亦容易受到ESD之影響。近來,氮化物之蕭基光檢測器與矽CMOS晶片之結合,使得光檢測器對於ESD有較高之穩定性[2]。但這將會提高製造上之成本。其中使用異質結構為一可能之改善方法。因為異質結構能夠有效地限制載子,藉著形成二維之載子團,相對於縱向,在橫向產生更小之電阻率。當ESD脈衝發生於異質結構之p-i-n光檢測器,電流將輕易地朝側向[3]傳遞。因此我們可以避免主動區之損耗及加強元件之穩定性。

本次實驗中之樣品皆以MOCVD成長於(1110)藍寶石基板上。並以低溫成長30nm厚之氮化鎵中性層、4μm厚之n+氮化鎵、0.5μm厚之本質氮化鎵及p型Al0.1Ga0.9N阻擋層與30μm厚之p型氮化鎵覆蓋層。p-AlGaN阻擋層之厚度為300nm(即sample 1)或150nm(即sample 2)。我們也製作了無p型Al0.1Ga0.9N阻擋層之傳統異質光檢測器(sample 3)作為實驗中之比較。接著,我們使用光學微影及感應耦合電漿(ICP)製作氮化物之p-i-n光檢測器,在蝕刻之後,我們沈積鈦/鋁(20nm/120nm)於n+-GaN上作為n型接觸。之後沈積半透明之鎳/金(50 Å /50 Å),並置於爐管中,通氮氣(N2)於500℃之環境下回火9分鐘,作為p型接觸。最後我們沈積鈦/金(400 Å /10000 Å)作為打線用之金屬層。

圖一(a.b),為樣品三(無P型氮化鋁鎵層)、及樣品一(P型氮化鋁鎵層, 300 nm)之電流對電壓特性曲線圖。樣本三在無外加ESD電壓與外加ESD電壓-1000 V時,其電流電壓特性曲線有著極劇的差異。在反向電流方面,電壓為-5 V時,經過ESD-1000 V施加於元件後,將使得反向電流變大有七個級數之多(10-11->10-4 A),而在順向電流 (i.e., IF = 10μA) 操作下,電壓從2.5 V降到1.3 V時,此結果顯示給予外加ESD電壓-1000 V時,確實造成了傳統光檢測器元件(i.e.樣本三)嚴重的損害。相反的,樣品一(圖一b)由於P型氮化鋁鎵層導致較小之橫向電阻,提供了電流橫向傳輸的機制,將大大增進元件抗靜電之特性[3]。圖二為外加ESD電壓-8000 V時,樣品二(P型氮化鋁鎵層, 150 nm)、樣品三(P型氮化鋁鎵層, 300 nm)之電流電壓曲線特性比較,從圖中我們不難發現較厚之P型氮化鋁鎵層將提供更好的元件抗靜電特性。從圖三中我們可發現在長波段時,有無外加ESD電壓(-1000 V)時,樣品三之響應圖有著相當的差異,這裡我們定義”比例值”(紫外光355 nm所量測之響應值除上可見光450 nm所量測之響應值),樣本三在無外加ESD電壓-1000 V時,比例值為1024,有外加ESD電壓-1000 V時,比例值為38,此結果再度顯示外加ESD電壓(-1000 V)對於無P型氮化鋁鎵層之傳統元件,將造成嚴重的損害。同樣的,我們運用P型氮化鋁鎵層當作側向導通層[3],圖四中顯示樣品一(P型氮化鋁鎵層, 300 nm)在有無外加ESD電壓(-8000 V)下,其比例值同樣都約為1028,此結果再次的證實了,有P型氮化鋁鎵電流阻擋層,確實能大大提升元件之抗靜電特性。
(圖一)電流-電壓特性曲線(a)傳統同質結構光檢測器 (b) 插入p-Al0.10Ga0.9N電流阻擋層之異質結構光檢測器於施加ESD 電壓-1000V前後之特性

(圖二) 施加ESD電壓-8000V於插入150 nm與300 nm之p-Al0.10Ga0.9N電流阻擋層異質結構光檢測之電流-電壓特性
(圖三)施加ESD電壓-1000V於傳統同質結構光檢測器之響應特性

(圖四) 施加ESD電壓-8000V於插入300nm p-Al0.10Ga0.9N電流阻擋層之異質結構光檢測之響應

總結來說,我們成功地製作氮化物p-i-n光檢測器,其具備抗靜電之特性。藉著插入p型氮化鋁鎵之電流阻擋層,可以觀察到光檢測器對於ESD之穩定性有明顯之改善,並且與阻擋層之厚度有密切之關係。

References

[1] S. S. Liu, P. W. Li, W. H. Lan and W. J. Lin, “High-temperature high-humidity and electrical static discharge stress effects on GaN p-i-n UV sensor”, Mater. Sci. Eng. B, vol. 121, pp. 29-33, 2005.
[2] J. J. Horng, Y. K. Su, S. J. Chang, T. K. Ko and S. C. Shei, "Nitride-based Schottky barrier sensor module with high electrostatic discharge reliability", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, pp. 717-719, 2007
[3] T. C. Wen, S. J. Chang, C. T. Lee, W. C. Lai and J. K. Sheu, "Nitride-based LEDs with modulation doped Al0.12Ga0.88N/GaN superlattice structures", IEEE Tran. Electron. Dev., vol. 51, pp. 1743-1746, 2004
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