Diodo Schottky AlGaN/GaN de Doble Heterounión sobre Si: Análisis Teórico-Experimental Combinado

Resumen

Un diodo Schottky de barrera (SBD) AlGaN/GaN con doble heterounión se investiga teórica y experimentalmente sobre GaN/AlGaN/GaN/Si-sub. El gas de huecos bidimensional (2DHG) y gas de electrones bidimensional (2DEG) se forman en las interfaces GaN-superior/AlGaN y AlGaN/GaN, respectivamente. En estado apagado, 2DEG y 2DHG se agotan parcial y luego completamente. Quedan cargas de polarización fijas positivas y negativas, formando la unión de polarización. Por tanto, se obtiene un campo eléctrico plano en región deriva y alto voltaje ruptura (BV). Además, el ánodo está recesado para reducir voltaje encendido (V_ON). El proceso ICP de bajo daño resulta en contactos Schottky mejorados, obteniéndose baja corriente fuga y bajo V_ON. El SBD fabricado exhibe BV 1109 V con distancia ánodo-cátodo (L_AC) 11 μm. Los SBDs logran bajo V_ON 0,68 V con buena uniformidad, alta relación encendido/apagado ~10¹⁰ a temperatura ambiente, baja resistencia específica encendido (R_ON,SP) 1,17 mΩ cm², y alto factor mérito Baliga (FOM) 1051 MW/cm².

Introducción

El diodo lateral basado en heterounión AlGaN/GaN es dispositivo atractivo por alta movilidad electrón gas electrónico bidimensional (2DEG), alta velocidad saturación electrón, y alto campo eléctrico ruptura [1-3]. Esfuerzos extensos para lograr bajo voltaje encendido (V_ON), baja corriente fuga inversa y alto voltaje ruptura (BV) diodos GaN usados convertidores e inversores fuentes alimentación y corrección factor potencia [4-12]. Diversos enfoques propuestos resolver distribución no uniforme campo eléctrico. Uno tecnología placa de campo (FP) [5, 13]. SBD ánodo completamente recesado con doble placa campo alcanza alto voltaje ruptura 1,9 kV con 25 μm L_AC [5]. También reduce significativamente voltaje encendido manteniendo alto voltaje ruptura. Además, concepto convencional REDuced SURface Field (RESURF) empleado tecnología silicio demostrado HEMT GaN [14]. Más aún, unión polarización (PJ) consistente gas huecos bidimensional (2DHG) sobre 2DEG propuesta mejorar relación resistencia específica encendido (R_ON,SP) y BV [15-18]. Dispositivos GaN basados concepto PJ demostrados sustratos Zafiro y SiC, mientras alto costo y pequeños diámetros GaN sobre SiC van contra aplicación comercial masiva. GaN-sobre-Si gran diámetro considerado opción prometedora por bajo costo [19-22]. Por tanto, rendimiento diodo PJ sobre sustratos silicio digno estudio.

En este trabajo, proponemos y demostramos experimentalmente diodo Schottky barrera GaN/AlGaN/GaN-sobre-Si con doble heterounión (DJ). Efecto unión polarización confirmado simulaciones y experimentos. Campo eléctrico plano (E-field) entre electrodos ánodo y cátodo logrado. Proceso ICP grabar trinchera Schottky optimizado lograr baja corriente fuga inversa y bajo V_ON con excelente uniformidad grabado. Proceso contacto óhmico también optimizado lograr baja resistencia contacto (para 2DEG) basada capa epitaxial personalizada (con 45 nm GaN-superior). Por tanto, voltaje ruptura 1109 V logrado SBDs con 11 μm L_AC y factor mérito Baliga (FOM) 1051 MW/cm². Dependencia temperatura y rendimiento R_ON,SP dinámico también investigados.

Método y Experimento

Capa epitaxial crecida deposición química vapor metalorgánico (MOCVD) silicio tipo-p 6 pulgadas, consistiendo 3,5 μm capa buffer GaN, 150 nm capa canal GaN, 1 nm intercap AlN, 45 nm barrera Al_0,25Ga_0,75N, 45 nm GaN-superior desde fondo a tope. Capa GaN-superior incluye 35 nm p-GaN y 10 nm GaN no dopado. Para espesor AlGaN dado 45 nm, densidad 2DHG aumenta con aumento espesor GaN-superior [22]. Capa GaN-superior gruesa vital para alta densidad 2DHG, mientras va contra baja resistencia contacto óhmico (para 2DEG). Vistas esquemáticas diodo Schottky doble heterounión (DJ SBD) propuesto mostradas Fig. 1a. Fabricación SBD inició aislamiento mesa grabado ICP Cl₂/BCl₃ profundidad 300 nm. Luego, trincheras contacto óhmico y ánodo Schottky formadas proceso ICP bajo daño. Profundidades trinchera óhmico y ánodo Schottky 50 nm y 90 nm, confirmadas microscopía fuerza atómica (AFM). Solución hidróxido tetrametilamonio (TMAH) 85 °C 15 min introducida eliminar residuos post-grabado modificar pared trinchera tras terminar grabado [23]. Luego, recocido 400 °C 10 min ambiente N₂. Contacto óhmico cátodo formado evaporación haz e- Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm), recocido 870 °C 35 s ambiente N₂, resistencia contacto (R_C) 0,49 Ω·mm. Finalmente, metal ánodo e interconexiones depositados Ni/Au completar flujo fabricación. Dispositivos presentaron varios L_AC 7-11 μm. Fig. 1b muestra imagen TEM alta resolución sección transversal ánodo tras ICP y deposición metal, estructura capas observada claramente.

2DEG inducido cargas polarización positivas a lo largo interfaz AlGaN/GaN. Interfaz superior GaN/AlGaN tiene cargas polarización negativas generando 2DHG interfaz superior [15]. Hueco entre región deriva y cátodo (L₁) usado cortar camino corriente huecos Fig. 2. Solo investigamos influencia L₁ 2-3 μm características bloqueo directo e inverso por límite diseño original. V_ON y R_ON,SP no cambian porque L₁ no afecta contacto Schottky y camino corriente electrón. Además, BV disminuye ligeramente con aumento L₁ por región deriva acortada. Mecanismo operación DJ SBDs polarización directa casi mismo SBDs convencionales, 2DHG apenas afecta camino corriente electrón cátodo a ánodo. Con aumento voltaje sesgo inverso, 2DEG y 2DHG agotan completamente. Quedan cargas polarización fijas positivas y negativas, formando unión polarización. Como resultado, distribución campo E plano entre cátodo y ánodo obtenida (Fig. 3).

Como muestra Fig. 3, característica ruptura y mecanismo unión polarización confirmados simulación 2-D Sentaurus TCAD Synopsys. Contamos varios fenómenos físicos importantes simulación, incluyendo estrechamiento brecha banda, polarización, movilidad electrón/hueco, ionización impacto y recombinación SRH.

Medición efecto Hall adoptada determinar densidad y movilidad 2DHG o 2DEG [22]. Mediciones realizadas método Van der Pauw temperatura ambiente. Medir 2DHG según Ref. [17], muestras medida Hall fabricadas contactos óhmicos Ni/Au. Densidad y movilidad 2DHG 9 × 10¹² cm⁻² y 15 cm²/V·s respectivamente. 2DEG medido muestras recesando GaN-superior y parcialmente AlGaN fabricadas contactos óhmicos Ti/Al/Ni/Au (para 2DEG). Densidad y movilidad 2DEG 8,5 × 10¹² cm⁻² y 970 cm²/V·s respectivamente. Mediciones Hall mostraron movilidad huecos aún mucho menor movilidad bulk >100 cm²/V·s. Degradación movilidad atribuida difusión Mg desde p-GaN a GaN no dopado durante crecimiento MOCVD.

Resultados y Discusión

Características I-V directas medidas SBDs varios L_AC trazadas Fig. 4a, b. Voltaje encendido (V_ON) 0,68 V pequeña variación 0,02 V. Factor idealidad y altura barrera SBDs calculados 1,44 ± 0,15 y 0,76 ± 0,04 eV respectivamente. Fig. 4a muestra alta densidad corriente directa 183 mA/mm y 144 mA/mm (@ sesgo directo 2,5 V) y resistencia encendido 0,642 y 1,17 mΩ cm² logrados L_AC = 7 y 11 μm respectivamente. Además, excelente relación encendido/apagado ~10¹⁰ obtenida Fig. 4b. Pendiente subumbral (SS) 63,0 mV/dec, cercano SS ideal (59,6 mV/dec).