宋建軍 張龍強(qiáng) 陳雷 周亮 孫雷蘭軍峰 習(xí)楚浩 李家豪

1) (核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518172)

2) (北京微電子技術(shù)研究所, 北京 100076)

3) (西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院, 西安 710071)

肖特基二極管是2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)的核心器件, 其性能決定了系統(tǒng)整流效率的上限.從材料設(shè)計(jì)角度出發(fā), 利用晶向優(yōu)化技術(shù)和Sn合金化技術(shù), 提出并設(shè)計(jì)了一種大有效質(zhì)量、大親和能和高電子遷移率的Ge基復(fù)合半導(dǎo)體.在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步利用器件仿真工具, 設(shè)定合理的器件材料物理參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù), 實(shí)現(xiàn)了一種2.45 G弱能量微波無線輸能用Ge基肖特基二極管.基于該器件SPICE模型的ADS整流電路仿真表明: 與傳統(tǒng)Ge肖特基二極管相比, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10— –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉(zhuǎn)換效率提升約10%.本文技術(shù)方案及相關(guān)結(jié)論, 可為解決2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率低的問題提供有益的參考.

1 引 言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展, 大量無線設(shè)備(如智能手機(jī), 家用Wi-Fi, 通信基站, 廣播電塔等)的出現(xiàn)給我們的生活帶來了極大的便利, 這些設(shè)備不間斷地發(fā)射無線電波, 它們之間通過無線電進(jìn)行信息傳遞, 除此以外, 其余大部分能量都在環(huán)境中衰減浪費(fèi)掉了.根據(jù)我國環(huán)境射頻能量分布評(píng)估,2.45 G 射頻信號(hào)為環(huán)境中的主要射頻(radio frequency, RF)信號(hào)源, 但測(cè)得的環(huán)境射頻功率密度較低[1,2].如果能將這部分能量利用起來, 并實(shí)現(xiàn)非接觸無線供電, 將突破傳輸線的限制, 為大量低功耗設(shè)備在無需電池供電的情況下也可運(yùn)行提供一種很好的解決方案, 極具應(yīng)用潛力.

微波無線能量收集系統(tǒng)(圖1(a))可通過微波接收天線捕獲環(huán)境中的射頻信號(hào), 系統(tǒng)中的整流電路利用核心元件肖特基二極管(Schottky barrier diode, SBD)對(duì)射頻信號(hào)能量整流, 并將直流能量供應(yīng)給接收負(fù)載, 是實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用的理想系統(tǒng).然而, 在2.45 G 弱能量密度RF信號(hào)輸入條件下, 基于SBD的微波射頻無線能量收集系統(tǒng)整流效率偏低, 尚無法真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用[3?5].目前, 工程師們主要開展基于Ge半導(dǎo)體肖特基二極管整流電路的優(yōu)化研發(fā)工作, 通過外圍電路被動(dòng)開啟優(yōu)化, 以提升2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率, 但收效甚微[6?8].

圖1 (a) 微波無線能量傳輸系統(tǒng); (b) 典型肖特基二極管示意圖Fig.1.(a) Microwave wireless energy transmission system; (b) schematic diagram of a typical Schottky diode.

SBD作為2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量收集系統(tǒng)整流電路的核心器件(圖1(b)),其性能決定了系統(tǒng)整流效率的上限.因此, 欲進(jìn)一步提升目前2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量收集系統(tǒng)整流效率, 對(duì)該核心元器件-肖特基二極管予以設(shè)計(jì)優(yōu)化勢(shì)在必行[9?11].有鑒于此, 我們擬提出一種2.45 G弱能量密度無線能量收集用Ge基肖特基二極管, 旨在解決2.45 G弱能量密度無線能量收集系統(tǒng)整流效率低的問題.

2 新型SBD層結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)

對(duì)于2.45 G弱能量密度Wi-Fi波段無線能量, 傳統(tǒng)SBD無法正常開啟工作.因此, 優(yōu)化設(shè)計(jì)2.45 G弱能量密度收集應(yīng)用SBD必須考慮如何降低器件開啟電壓.

基于器件物理相關(guān)原理, 首先推導(dǎo)建立了SBD開啟電壓模型.依據(jù)文獻(xiàn), SBD從半導(dǎo)體到金屬的電子流所形成的電流密度是

根據(jù)SBD器件金半接觸的能帶關(guān)系[13], 上式可進(jìn)一步化簡為

金屬一側(cè)的勢(shì)壘高度不隨外加電壓變化, 從金屬到半導(dǎo)體的電子流所形成的電流密度Jm→s是一個(gè)常數(shù), 它與不加外加電壓時(shí)的Js→m大小相等, 方向相反, 則在熱電子發(fā)射理論下, SBD的總電流密度為

式中,

稱為SBD的反向飽和電流.若考慮鏡像力和隧道效應(yīng)對(duì)勢(shì)壘高度的影響, 則

考慮到后續(xù)Silvaco器件性能模擬軟件中仿真所得伏安特性曲線中的電流為線電流密度, 還需要將(5)式除以所設(shè)計(jì)器件長度L, 即Js=Jl/L, 進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)換為線電流密度Jl的表達(dá)式, 并最終給出器件開啟電壓與線電流密度的關(guān)系為其中所設(shè)計(jì)器件的長度L為1 μm, 其方向沿下面二維圖6中的視覺不可見坐標(biāo)方向; 所設(shè)計(jì)器件寬度為14 μm, 其方向?qū)?yīng)圖6中的橫向.

圖2 (001), (101), (111)剖面任意晶向電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量(極坐標(biāo)系下)[14]Fig.2.(001), (101), (111) cross-section arbitrary crystal orientation electron conductivity effective mass (in polar coordinate system)[14].

綜合以上模型, 可以發(fā)現(xiàn), SBD開啟電壓與器件反向飽和電流密切相關(guān).同等條件下, 反向飽和電流越大, SBD開啟電壓越低.反向飽和電流不僅僅與金半接觸區(qū)域半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量、金屬功函數(shù)有關(guān), 還與半導(dǎo)體摻雜濃度和半導(dǎo)體的親和能有關(guān).對(duì)于Ge SBD, 目前要想增大其反向飽和電流達(dá)到顯著降低開啟電壓的目的, 只有通過材料設(shè)計(jì)想辦法增大器件層結(jié)構(gòu)材料中金半接觸區(qū)域半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量與親和能這條途徑, 其他的方法已無法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化.

2.1 大有效質(zhì)量高遷移率設(shè)計(jì)

一方面, 我們希望增大SBD層結(jié)構(gòu)材料中金半接觸區(qū)域半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量, 以達(dá)到降低SBD開啟電壓的目的.然而, 電子有效質(zhì)量的增加會(huì)顯著降低半導(dǎo)體的電子遷移率, 進(jìn)而導(dǎo)致SBD串聯(lián)電阻增大, 整流效率降低.即增大半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量有利于SBD在弱能量密度信號(hào)情況下開啟工作, 但低整流效率下SBD仍然無法實(shí)用.

我們知道, Ge半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量具有各向異性, 沿不同的晶向電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量數(shù)值不同.利用kp微擾理論, 圖2建立了極坐標(biāo)系下(001),(101), (111)剖面任意晶向Ge電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量模型(建模過程詳見我們發(fā)表的文獻(xiàn)[14]).由圖2可見, 沿各晶面典型高對(duì)稱晶向, [100]晶向Ge電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量0.95m0, 數(shù)值最大.其他依次為, [111]晶向0.64m0, [ 11ˉ2] 晶向0.254m0,[1ˉ10]晶向最小, 約為0.151m0.

圖3 Sn合金化致Ge帶隙類型轉(zhuǎn)變示意圖[19]Fig.3.Schematic diagram of Ge band gap type transition caused by Sn alloying[19].

2.2 親和能設(shè)計(jì)

進(jìn)一步討論Ge半導(dǎo)體電子親和能各向異性問題, 第一性原理仿真結(jié)果如圖4所示(詳見我們的工作[20]).結(jié)果表明, [100]晶向Ge功函數(shù)為4.604 eV, [110]晶向?yàn)?.495 eV, [111]晶向?yàn)?/p>

4.55 eV.

圖4 (100), (110), (111)晶面Ge半導(dǎo)體功函數(shù)[18,19]Fig.4.(100), (110), (111) crystal plane Ge semiconductor work function[18,19].

利用半導(dǎo)體親和能與功函數(shù)之間的關(guān)系[20],可進(jìn)一步解得, [100]晶向Ge親和能為4.272 eV,[110]晶向?yàn)?.163 eV, [111]晶向?yàn)?.218 eV.與(110)高電子遷移率晶面相比, 選用(100)晶面Ge作SBD的金半接觸面, 可增大半導(dǎo)體親和能, 有利于進(jìn)一步降低SBD開啟電壓, 這與前述為增大電子電導(dǎo)率有效質(zhì)量而選用(100)晶面方案不產(chǎn)生矛盾.

3 新型SBD器件設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

在上節(jié)材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 提出一種新型的SBD器件, 其材料物理參數(shù)與幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5(a)所示, 圖5(b)為對(duì)比器件, 即傳統(tǒng)Ge SBD器件剖面示意圖.

肖特基結(jié)采用金屬W, 歐姆結(jié)采用金屬Al,且陰極設(shè)置于在n+DR-GeSn層, 能夠避免n+DRGeSn與Si襯底之間界面差致器件性能退化的問題; 輕摻雜n–區(qū)域, 包括Ge帽層, 摻雜濃度為3 × 1017cm–3; 重?fù)诫sn+區(qū)域摻雜濃度為1 ×1020cm–3.此外, 為降低器件工藝成本, 該器件擬在Si襯底上制備實(shí)現(xiàn).為此, 采用兩步法(低溫LT+高溫HT)工藝, 先制備高質(zhì)量Ge緩沖層.然后,利用減壓化學(xué)氣相沉積(reduced pressure chemical vapour deposition, RPCVD)制備出DR-GeSn外延層.

圖6 新型SBD器件Silvaco仿真結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格設(shè)置截圖Fig.6.A screenshot of the Silvaco simulation structure and grid settings of the new SBD device.

圖6 為Silvaco軟件器件仿真結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格設(shè)置圖, 這里要補(bǔ)充說明兩點(diǎn): 1) 考慮器件軟件仿真收斂效率, 仿真結(jié)構(gòu)中去掉了Si襯底和Ge緩沖層,但不會(huì)影響仿真結(jié)果; 2) 網(wǎng)格設(shè)置過程中, Ge帽層與n–GeSn層之間、n–GeSn層與n+ GeSn層之間網(wǎng)格相對(duì)于其他區(qū)域更加密集, 以保證仿真結(jié)果收斂.

圖7 不同厚度 晶向Ge帽層新型SBD器件正向伏安特性曲線Fig.7.Forward V-J characteristic curve of new SBD device with different thickness crystal orientation Ge cap layer.

圖8 (a)和圖8(b)中Ge, GeSn和Ge_on_Ge-Sn三條曲線分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)Ge SBD, GeSn SBD以及帶Ge帽層新型GeSn SBD的伏安特性、電容特性器件仿真結(jié)果, 由圖8(a)可見, 相對(duì)于傳統(tǒng)Ge基SBD器件, 帶Ge帽層新型GeSn SBD開啟電壓明顯降低.同時(shí), 器件仍然保持了優(yōu)異的整流非線性特性.

如前所述, 帶Ge帽層新型GeSn SBD低開啟電壓、非線性優(yōu)異主要源于大有效質(zhì)量、大親和能、高遷移率的復(fù)合材料設(shè)計(jì), 符合前期設(shè)計(jì)預(yù)想.電容特性方面, 由圖8(b)可見, 相對(duì)于傳統(tǒng)Ge基SBD器件, 帶Ge帽層新型GeSn SBD電容有一定程度降低, 這有利于后續(xù)對(duì)2.45 G弱能量密度RF信號(hào)整流效率的提升[21,22].依據(jù)器件物理相關(guān)知識(shí), SBD電容與材料親和能等物理參數(shù)相關(guān),其下降的原因也主要是因?yàn)樾滦蛷?fù)合材料的引入所致.

圖9為帶Ge帽層新型GeSn SBD的器件擊穿特性仿真結(jié)果, 由圖可見, 當(dāng)所施加電壓達(dá)到約11.4 V時(shí), 器件會(huì)發(fā)生反向擊穿, 反向飽和電流的增大導(dǎo)致器件更容易被擊穿, 但是擊穿電壓的變化在后續(xù)仿真中對(duì)弱能量密度區(qū)域的整流效率影響并不大.

將所設(shè)計(jì)的帶Ge帽層新型GeSn SBD、傳統(tǒng)Ge SBD以及GeSn SBD正向伏安特性曲線、反向伏安特性曲線以及在2.45 GHz頻率下的電容特性曲線帶入Cadance Model Editor軟件中, 提取器件的SPICE參數(shù)如表1所列.

將所設(shè)計(jì)的肖特基二極管SPICE參數(shù)帶入ADS仿真軟件中, 采用圖10所示仿真電路, 使用阻抗自匹配模型, 對(duì)整流電路進(jìn)行優(yōu)化.

圖8 三種Ge基SBD器件伏安特性、電容特性仿真結(jié)果Fig.8.volt-ampere characteristic Capacitance-voltage characteristic simulation results of three Ge-based SBD devices.

圖9 新型Ge基SBD器件擊穿特性仿真結(jié)果Fig.9.Simulation results of the breakdown characteristics of the new Ge-based SBD device.

表1 三種Ge基SBD器件SPICE參數(shù)表Table 1.SPICE parameter table of three Ge-based SBD devices.

圖10 新型Ge基SBD器件整流測(cè)試電路Fig.10.New Ge-based SBD device rectification test circuit.

圖11 整流電路的仿真結(jié)果, 輸入能量與 (a)阻抗實(shí)部、(b)阻抗虛部、(c)整流效率以及(d)弱能量區(qū)域整流效率的關(guān)系Fig.11.Simulation results of the rectifier circuit, the relationship between the input energy and (a) the real part of the impedance(b) the imaginary part of the impedance (c) the rectification efficiency (d) the rectification efficiency in the weak energy region.

圖11 為仿真結(jié)果, 將電路匹配在–10 dBm附近, 匹配結(jié)果良好.在輸入能量為–10 dBm時(shí), 能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了35.1%; 在輸入能量為–20 dBm時(shí), 能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了7.7%.與傳統(tǒng)Ge肖特基二極管相比, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10 — –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉(zhuǎn)換效率整體提升約10%.

4 結(jié) 論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種大有效質(zhì)量、大親和能和高電子遷移率的Ge基復(fù)合半導(dǎo)體肖特基器件,給出了器件層結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)參數(shù).Silvaco仿真結(jié)果表明: 與常規(guī)肖特基二極管相比,該器件的開啟電壓降低大約0.1 V, 零偏電容降低6 fF, 反向飽和電流也顯著提升.同時(shí)采用所設(shè)計(jì)的新型Ge基肖特基二極管作為核心整流器件進(jìn)行了整流電路的仿真, 結(jié)果表明, 該新型Ge基肖特基二極管在輸入能量為–10 — –20 dBm的弱能量工作區(qū)域, 能量轉(zhuǎn)換效率提升約10%.本文有關(guān)新型Ge基復(fù)合半導(dǎo)體器件的研究, 可為提高弱能量密度下工作的微波無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率提供有價(jià)值的參考.