Diodo regulador de corriente con bloqueo inverso AlGaN/GaN de alta precisión con cátodo de zanja híbrido

Resumen

Se ha realizado experimentalmente un novedoso diodo regulador de corriente con bloqueo inverso (RB-CRD) lateral de AlGaN/GaN que presenta un ánodo Schottky de zanja y un cátodo de zanja híbrido sobre sustrato de silicio. El diodo de barrera Schottky (SBD) integrado entrega un voltaje de encendido de 0.7 V y un voltaje de ruptura inversa de 260 V. El cátodo de zanja híbrido funciona como un diodo regulador de corriente (CRD) en serie con el SBD del ánodo, produciendo un voltaje de rodilla de 1.3 V y operación directa por encima de 200 V. El RB-CRD mantiene una corriente de salida estable en 25-300 °C, con un pequeño coeficiente de temperatura negativo inferior a -0.152%/°C.

Introducción

Los semiconductores de banda ancha están remodelando la electrónica de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura. GaN destaca debido a su gran banda prohibida, alta movilidad de electrones y campo eléctrico crítico [1-5]. La polarización espontánea y piezoeléctrica de la heterointerfaz AlGaN/GaN crea un gas de electrones bidimensional (2DEG) de alta densidad, permitiendo dispositivos de baja resistencia de encendido con altos voltajes de ruptura. La plataforma GaN-sobre-silicio (GaN-on-Si) combina estas ventajas con la madurez y rentabilidad de obleas de silicio y procesos CMOS [6-8], y una amplia gama de dispositivos de potencia ya se han demostrado en este sustrato [9-16]. Añadir nuevos dispositivos funcionales como el RB-CRD puede ampliar el espacio de aplicación y acelerar la comercialización de la tecnología AlGaN/GaN-on-Si.

El RB-CRD, ilustrado en la Fig. 1a, fusiona un ánodo Schottky de zanja con un cátodo de zanja híbrido. El dispositivo se comporta como un SBD en serie con un CRD. Un uso prometedor es la carga de baterías (Fig. 1b): el CRD suministra corriente constante a la batería, mientras que el SBD polarizado inversamente previene la descarga inversa cuando el voltaje de entrada cae por debajo del voltaje de la batería [17-19].

Métodos

La pila epitaxial AlGaN/GaN se creció en Si de 6 pulgadas (111) por deposición química de vapor orgánico metálico (MOCVD). Composición de capas: 2 nm tapa GaN, 23 nm barrera AlGaN, 1 nm intercapas AlN, 300 nm canal GaN, y 3.5 µm buffer. Mediciones Hall muestran densidad 2DEG de 9.5×10¹² cm^–2 y movilidad de 1500 cm²/V·s. La secuencia de fabricación (Fig. 2) comienza con una zanja poco profunda grabada por proceso ICP Cl₂/BCl₃ de baja potencia (7 nm/min a 20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃). Aislamiento de mesa y zanjeo de ánodo siguen. Contactos óhmicos Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm) se depositan por evaporación haz-e y recocen a 880 °C por 35 s en N₂, produciendo resistencia óhmica de 1.1 Ω·mm y resistencia de lámina de 400 Ω/□. Finalmente, una pila Schottky Ni/Au (50/300 nm) se deposita. El espaciado ánodo-cátodo (L_AC) es 4 µm; la longitud de contacto óhmico (L_O) es 0.5 µm; la longitud de contacto Schottky (L_S) es 1 µm, con un voladizo (L_E) de 0.5 µm.

Resultados y Discusión

La imagen AFM (Fig. 3a) revela un fondo de zanja notablemente liso con rugosidad de 0.3 nm, ideal para contacto metal-semiconductor confiable. El retroceso de zanja de 17 nm deja una barrera AlGaN de 8 nm, asegurando que el 2DEG permanezca activo a polarización cero (Fig. 3b).

La operación del RB-CRD puede visualizarse en tres regímenes de polarización (Fig. 4). A polarización cero, el dispositivo se comporta como un HEMT modo depleción Schottky-drenaje. Con polarización negativa de ánodo, el SBD del ánodo está polarizado inversamente y el dispositivo bloquea corriente, actuando como SBD polarizado inversamente. Cuando el voltaje de ánodo supera el encendido del SBD (≈1 mA/mm), los electrones fluyen desde el contacto óhmico del cátodo al contacto Schottky del ánodo; simultáneamente, la unión Schottky del cátodo está polarizada inversamente, agotando el 2DEG bajo la región Schottky y impulsando la corriente hacia saturación. Este flujo de corriente autorregulado produce una corriente de salida estable.

Las características I-V directas dependientes de temperatura (Fig. 5a) muestran un voltaje de rodilla (V_k) de 1.3 V al 80% de la corriente de regulación, superando CRDs reportados previamente (≈0.6 V) [20, 21] debido al adicional 0.7 V de caída a través del SBD del ánodo. A medida que la temperatura sube de 25 °C a 300 °C, el voltaje de encendido del SBD se desplaza hacia abajo, consistente con teoría de emisión termiónica. El dispositivo sostiene corriente estable hasta 200 V (Fig. 5b), superando CRDs comerciales basados en Si [22-24]. A 25 °C, la relación de corriente I_{200 V}/I_{25 V} es 0.998, confirmando estabilidad excepcional. La estabilidad térmica se destacaさらに por un coeficiente de temperatura inferior a -0.152%/°C, derivado de la relación I-T \(\alpha=\frac{I_1-I_0}{I_0(T_1-T_0)}\times100\%\).

El voltaje de ruptura inversa alcanza un pico de 260 V a 25 °C, correspondiendo a un campo eléctrico crítico promedio de 0.65 MV/cm. Sin embargo, la corriente de fuga inversa aumenta en dos órdenes de magnitud cuando la temperatura sube a 300 °C, como se muestra en la Fig. 6.

Conclusiones

Hemos introducido un primer AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD que combina un ánodo Schottky de zanja con un cátodo de zanja híbrido. El dispositivo logra un voltaje de rodilla de 1.3 V, opera de forma fiable por encima de 200 V y soporta 260 V de ruptura inversa. Su corriente de salida muestra precisión notable con un coeficiente de temperatura negativo por debajo de -0.152%/°C. Estos atributos posicionan al RB-CRD como un candidato fuerte para electrónica de potencia GaN de próxima generación, especialmente en carga de baterías y otras aplicaciones de corriente constante.

Abreviaturas

2DEG:

Gas de electrones bidimensional

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

ICP:

Plasma acoplado inductivamente

MOCVD:

Deposición química de vapor orgánico metálico

RB-CRD:

Diodo regulador de corriente con bloqueo inverso

SBD:

Diodo de barrera Schottky