Recuperación inversa rápida en diodos Schottky de GaN vertical dopados con Ge

Resumen

Diodos Schottky de barrera (SBDs) de GaN vertical crecidos en sustratos de GaN auto-soportados dopados con Ge exhiben calidad cristalina y rendimiento eléctrico superiores. La imagen de catodoluminiscencia revela una densidad de dislocaciones uniforme de ≈1,3×10⁶ cm⁻². Los dispositivos presentan un voltaje de encendido V_on bajo de 0,70–0,78 V y una ratio I_on/I_off que varía de 9,9×10⁷ a 1,3×10¹⁰. Medidas de recuperación inversa producen tiempos de 15,8–24,5 ns para diámetros de 100–500 µm, con tanto tiempo de recuperación como carga correlacionados positivamente con el área del electrodo.

Introducción

Los semiconductores de banda ancha, particularmente GaN, se han vuelto fundamentales para electrónica de próxima generación de alta frecuencia, alta potencia y alto rendimiento [1]–[6]. Avances recientes en epitaxia de fase de vapor de hidruro (HVPE) ahora permiten crecimiento comercial de sustratos GaN de baja dislocación (≤10⁶ cm⁻²) [7]–[10]. Arquitecturas de dispositivos verticales construidas sobre estos sustratos ofrecen mayores densidades de corriente, rutas de fuga reducidas y fiabilidad mejorada comparadas con diseños laterales [11], [12].

Los diodos Schottky basados en GaN son componentes críticos en circuitos de conmutación de potencia. Su naturaleza unipolar elimina almacenamiento de portadores minoritarios, produciendo altas velocidades de conmutación y bajas pérdidas de recuperación inversa [13]–[17]. Sin embargo, estudios sistemáticos del comportamiento de recuperación inversa en SBDs de GaN vertical siguen siendo escasos. Este trabajo aborda esa brecha fabricando SBDs verticales dopados con Ge en GaN auto-soportado y evaluando rigurosamente su rendimiento de recuperación inversa.

El Ge es un dopante tipo n atractivo para GaN, ofreciendo activación superficial (≈20 meV) comparable a Si mientras induce menos distorsión de red debido a su radio iónico [19]–[20]. Se reporta que el dopaje con Ge produce superficies más lisas y densidades de defectos reducidas [21], [22], y mejora la estabilidad térmica, requisito clave para dispositivos de alta temperatura. Aquí presentamos la primera investigación sistemática de características de recuperación inversa en SBDs verticales de GaN dopados con Ge.

Métodos y Experimentos

La arquitectura del dispositivo se ilustra en Fig. 1a: un sustrato n⁺-GaN auto-soportado de 390 µm de espesor cubierto por una capa de deriva n⁻-GaN de 9 µm. El sustrato, crecido por HVPE, incorpora 1×10¹⁸ cm⁻³ Ge y exhibe densidad de dislocación de 1×10⁶ cm⁻² [7]. La capa epitaxial se depositó por deposición química de vapor organometálica a ≈2 µm h⁻¹.

La fabricación del dispositivo involucró contactos óhmicos Ti/Al/Ni/Au en la superficie posterior y electrodos Schottky Ni/Au en la frontal, con diámetros de 100, 200, 300, 400 y 500 µm (Fig. 1b). Detalles completos del proceso están disponibles en nuestros informes previos [23], [24].

a Esquema transversal del SBD vertical. b Imagen de microscopía óptica de los cinco diámetros de electrodo. c Imagen CL pancromática de la capa epitaxial.

Imágenes CL se realizaron con un SEM Quanta 400 FEG a 10 kV para mapear distribución de dislocaciones. Medidas de capacitancia-voltaje (C-V) y corriente-voltaje (I-V) emplearon un analizador Keithley 4200. Pruebas dependientes de temperatura abarcaron 300–500 K usando un setup personalizado.

Resultados y Discusión

La Figura 1c muestra el mapa CL de la capa epitaxial. Puntos oscuros indican centros de dislocación no radiativos; su distribución uniforme produce densidad promedio de ≈1,3×10⁶ cm⁻², confirmando crecimiento cristalino de alta calidad.

Curvas C-V y G-V se registraron a 1 MHz (Fig. 2a-b). De los gráficos 1/C²-V, la concentración de donadores N_d es ≈6,2×10¹⁵ cm⁻³. El ángulo de fase θ, calculado via tan⁻¹(2πfC/G), permanece ≈90°, indicando fuga mínima a través de la barrera Schottky (Fig. 2b inset).

Características J-V (Fig. 2c) revelan ratios I_on/I_off de 9,9×10⁷ a 1,3×10¹⁰ y valores V_on entre 0,70 y 0,78 V en todos los diámetros, demostrando excelente rendimiento electrónico.

a Curvas C-V a temperatura ambiente para cada tamaño de electrodo. b Curvas G-V con θ versus V inset para dispositivo de 300 µm. c Curvas J-V para todos los diámetros.

El comportamiento de recuperación inversa se midió usando el circuito de prueba en Fig. 3a. Una onda cuadrada de voltaje (+20 V a –20 V) impulsa el dispositivo; la corriente transitoria se captura con una sonda de alta velocidad en un osciloscopio Tektronix MDO 4104-3. La forma de onda de recuperación inversa (Fig. 3b) define tiempo de almacenamiento t_a, retardo de corriente inversa t_b y tiempo de recuperación T_rr (tiempo al 10 % de corriente inversa pico). La carga de recuperación inversa Q_rr se obtiene integrando la corriente inversa hasta T_rr.

a Circuito de prueba para medición de recuperación inversa. b Esquema de la forma de onda de recuperación inversa.

La Figura 4 muestra las corrientes de recuperación inversa para todos los diámetros de electrodo. Los valores T_rr son 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 y 24,5 ns para dispositivos de 100, 200, 300, 400 y 500 µm, respectivamente. Los valores Q_rr correspondientes son 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 y 0,405 nC. Todos los dispositivos logran tiempos de recuperación sub-25 ns, y el dispositivo más pequeño exhibe la recuperación más rápida. Tanto T_rr como Q_rr aumentan con el área del electrodo.

Corriente de recuperación inversa para cada diámetro de electrodo.

Para sondear dependencia de voltaje, repetimos la medición con ±10 V. T_rr permanece esencialmente inalterado, mientras Q_rr continúa escalando con el cuadrado del diámetro (área del electrodo) como se muestra en Fig. 6.

Tiempo de recuperación inversa T_rr versus diámetro de electrodo d.

Carga de recuperación inversa Q_rr versus diámetro de electrodo d.

El mecanismo dominante detrás del comportamiento observado es almacenamiento mediado por trampas en lugar de inductancia parásita. La distribución uniforme de trampas lleva a Q_rr proporcional al área de contacto. Consecuentemente, la constante de tiempo RC crece con el diámetro del dispositivo, lo que explica el aumento lineal en T_rr. Reducir el tamaño del electrodo o el espesor de la capa de deriva debería mejorar aún más el rendimiento de recuperación, como corrobora nuestro trabajo previo [29].

La dependencia de temperatura se evaluó para el dispositivo de 500 µm (Fig. 7). Tiempo y carga de recuperación inversa permanecen invariables entre 300–500 K, indicando que las concentraciones de trampas son insensibles a temperatura en GaN, a diferencia de SBDs basados en Si, donde T_rr puede aumentar >190 % entre 300 y 425 K [17]. La superior estabilidad térmica de GaN sustenta su idoneidad para conmutación de potencia a alta temperatura.

Características de recuperación inversa para dispositivo de 500 µm a 300, 400 y 500 K.

Conclusiones

Fabricamos diodos Schottky de barrera de GaN vertical en sustratos auto-soportados dopados con Ge crecidos por HVPE. Catodoluminiscencia y mediciones eléctricas confirman alta calidad cristalina y excelente rendimiento electrónico. Pruebas de recuperación inversa revelan tiempos de 15,8 a 24,5 ns para dispositivos de 100 a 500 µm de diámetro, con tanto T_rr como Q_rr escalando positivamente con el área del electrodo. Estos hallazgos proporcionan un referente para optimizar SBDs basados en GaN para aplicaciones de potencia de alta velocidad y alta temperatura.

Abreviaturas

CL

Catodoluminiscencia

C-V

Capacitancia-voltaje

DUT

Dispositivo bajo prueba

FS

Auto-soportado

GaN

Nitruro de galio

HVPE

Epitaxia de fase de vapor de hidruro

I-V

Corriente-voltaje

SBDs

Diodos Schottky de barrera

SEM

Microscopio electrónico de barrido