Kinerja Pemulihan Dioda Penghalang GaN Schottky Vertikal Ge-Doped
Abstrak
Dioda penghalang Schottky GaN vertikal (SBD) dibuat pada substrat GaN berdiri bebas yang didoping Ge. Kualitas kristal SBD dicirikan oleh pengukuran pendaran katoda, dan kerapatan dislokasi ditentukan menjadi ~ 1.3 × 10
6
cm
− 2
. Dengan pengukuran kinerja listrik yang dilakukan, SBD menunjukkan tegangan penyalaan yang rendah Vpada (0,70~0,78 V) dan arus tinggi Ipada /Akunonaktif rasio (9,9 × 10
7
~1.3 × 10
10
). Karakteristik pemulihan terbalik diselidiki. Waktu pemulihan terbalik diperoleh menjadi 15,8, 16,2, 18,1, 21,22, dan 24,5 ns untuk masing-masing SBD berdiameter 100, 200, 300, 400, dan 500 m. Sementara itu, waktu pemulihan terbalik dan biaya pemulihan terbalik keduanya menunjukkan korelasi positif yang signifikan dengan area elektroda.
Pengantar
Baru-baru ini, semikonduktor celah pita lebar — seperti GaN — dengan keunggulan yang melekat, telah menarik perhatian penelitian yang luar biasa untuk perangkat elektronik generasi berikutnya, terutama di bidang frekuensi tinggi, daya tinggi, dan kinerja tinggi [1,2,3 ,4,5,6]. Sementara itu, berkat pengembangan epitaksi fase uap hidrida (HVPE), kerapatan dislokasi rendah (≤ 10
6
cm
− 2
) Substrat GaN sekarang tersedia secara komersial [7,8,9,10]. Dibandingkan dengan perangkat lateral, perangkat tipe vertikal yang dibuat dengan substrat ini dianggap sebagai struktur yang lebih maju yang kondusif untuk mencapai arus yang lebih besar, jalur kebocoran yang lebih sedikit, dan keandalan yang lebih baik untuk sistem [11, 12]. Di antara mereka, dioda penghalang Schottky (SBD) berbasis GaN adalah komponen vital dalam perangkat switching. Berbeda dari dioda bipolar, SBD dengan sifat unipolarnya sangat mengurangi efek penyimpanan pembawa minoritas dan dengan demikian menawarkan kecepatan switching yang tinggi dengan kerugian pemulihan balik yang rendah. Namun, beberapa kelompok telah melakukan studi sistematis tentang karakteristik pemulihan terbalik untuk SBD GaN vertikal [13,14,15,16,17], yang studinya lebih fokus pada perbandingan waktu switching dalam perangkat struktur yang berbeda. Oleh karena itu, masih diperlukan investigasi mendalam mengenai mekanisme kinerja pemulihan untuk GaN SBD, terutama untuk yang vertikal.
Sementara itu, karena teknik kontak ohmik telah terus dieksplorasi untuk meningkatkan kinerja perangkat di banyak makalah yang diterbitkan [18], GaN tipe-n yang didoping berat adalah tautan utama untuk membuat perangkat nitrida. Akhir-akhir ini, Ge diusulkan sebagai alternatif untuk dopan Si dalam GaN, karena keduanya memiliki karakteristik pengotor tingkat dangkal yang serupa (energi aktivasi dilaporkan masing-masing 20 dan 17 meV untuk Ge dan Si) dan distorsi kisi yang disebabkan oleh atom Ge yang mensubstitusi ke situs Ga akan lebih kecil karena jari-jari ionnya yang lebih dekat [19, 20]. Doping Ge diyakini membentuk permukaan yang lebih halus dengan cacat yang lebih sedikit [21, 22]. Selain itu, dengan distorsi kisi yang lebih rendah dan tekanan film, doping ini juga menunjukkan harapan pada perangkat elektronik suhu tinggi yang lebih menekankan pada stabilitas termal. Meskipun GaN yang didoping Ge telah dipelajari secara teoritis, penting untuk menyelidiki dampak nyata pada perangkat yang relevan. Dalam makalah ini, SBD GaN vertikal baru yang dibuat pada substrat GaN berdiri bebas (FS) Ge-doped diusulkan. SBD GaN vertikal menunjukkan kualitas kristal dan properti elektronik yang unggul. Sementara itu, kinerja pemulihan SBD vertikal diselidiki secara sistematis. Waktu pemulihan terbalik dan biaya pemulihan terbalik akhirnya menunjukkan korelasi positif yang signifikan dengan area elektroda.
Metode dan Eksperimen
Skema struktur perangkat untuk SBD fabrikasi ditampilkan pada Gambar 1a, yang sebagian besar terdiri dari FS 390μm n
+
-GaN substrat dan 9-μm n
−
-GaN lapisan melayang. Dalam karya ini, lapisan substrat GaN berorientasi (0001) dengan konsentrasi Ge 1 × 10
18
cm
− 3
dan kerapatan dislokasi 1 × 10
6
cm
− 2
ditumbuhkan oleh HVPE. Dan lapisan epitaksial yang tidak didoping pada substrat ini ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia metalorganik, dengan laju pertumbuhan ~ 2 μm/jam. Untuk fabrikasi SBD, kontak ohmik Ti/Al/Ni/Au terbentuk di permukaan belakang substrat GaN. Elektroda Ni/Au Schottky dibentuk pada permukaan depan lapisan epitaksial dengan lima diameter yang berbeda (100, 200, 300, 400, dan 500 μm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Informasi lebih lanjut tentang proses fabrikasi dapat ditemukan di laporan kami sebelumnya [23, 24].
a Penampang melintang skema dari SBD vertikal fabrikasi. b Gambar mikroskop optik dari elektroda yang berbeda. c Gambar CL pankromatik dari lapisan epitaksial
Gambar cathodoluminescence (CL) diperoleh menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM) Quanta 400 FEG dengan tegangan percepatan 10 kV untuk mempelajari distribusi spasial kepadatan dislokasi untuk lapisan epitaxial. Tegangan kapasitansi (C-V ) dan tegangan arus (I-V ) pengukuran dilakukan menggunakan penganalisis parameter semikonduktor Keithley 4200 untuk mengevaluasi sifat elektronik dari SBD. Dan pengukuran yang bergantung pada suhu dilakukan dalam kisaran 300 hingga 500 K dengan pengaturan eksperimental yang disesuaikan.
Hasil dan Diskusi
Hasil CL dari lapisan epitaxial disajikan pada Gambar 1c. Karena dislokasi diyakini sebagai pusat rekombinasi nonradiatif, ia muncul pada gambar CL dalam bentuk bintik gelap. Karena tidak ada perbedaan distribusi spasial yang terlihat, nilai rata-rata kerapatan dislokasi dihitung menjadi ~ 1.3 × 10
6
cm
− 2
, dengan pengukuran CL dilakukan di beberapa wilayah berbeda. Hasil ini menunjukkan bahwa lapisan epitaksial berkualitas tinggi diperoleh untuk SBD vertikal.
Karena SBD vertikal dicirikan dalam mode paralel, C-V dan G-V kurva diperoleh dengan frekuensi 1 MHz. Hasil SBD masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 2a dan b, di mana (1/C
2
) versus tegangan yang diberikan V diplot di inset. Di sini, konsentrasi pembawa Nd dapat dievaluasi dengan ekspresi:\( {N}_d=\frac{-2}{A^2 q\varepsilon \left[d\left(1/{C}^2\right)/ dV\right]} \), di mana A adalah luas elektroda Schottky, q adalah muatan elektron (1,602 × 10
− 19
C), dan ε adalah konstanta dielektrik GaN (8,854 × 10
− 11
F/m). Oleh karena itu, Nd dari lapisan epitaxial ditentukan menjadi ~ 6.2 × 10
15
cm
− 3
. Dan sudut fase θ juga dapat dihitung dengan persamaan berikut:\( \theta ={\tan}^{-1}\left(\frac{2\pi fC}{G}\right) \), di mana f adalah frekuensi yang diterapkan, C adalah kapasitansi, dan G adalah konduktansi yang diukur (kebocoran gerbang). Karena hasil untuk diameter yang berbeda serupa, sudut yang dihitung θ versus tegangan yang diberikan V dari SBD berdiameter 300 m ditunjukkan pada sisipan Gambar 2b sebagai contoh. Perhatikan bahwa θ sangat dekat dengan 90 °, ini menegaskan bahwa gerbang Schottky yang sangat baik dengan jalur kebocoran rendah dicapai dalam penelitian ini. J-V karakteristik juga disajikan pada Gambar. 2c. Terlihat jelas bahwa Ipada /Akunonaktif rasionya adalah 3,8 × 10
9
, 5.9 × 10
8
, 1,3 × 10
10
, 6,5 × 10
8
, dan 9,9 × 10
7
masing-masing untuk SBD berdiameter 100, 200, 300, 400, dan 500 m, di mana Ipada dan Akunonaktif didefinisikan sebagai arus pada tegangan gerbang masing-masing 1,6 dan 2 V. Setelah pemasangan linier, tegangan penyalaan Vpada SBD vertikal ditentukan masing-masing menjadi 0,70, 0,76, 0,72, 0,70, dan 0,78 V, dengan diameter elektroda meningkat dari 100 menjadi 500 μm. Hasil ini menunjukkan properti elektronik yang baik diperoleh untuk SBD vertikal.
a Suhu kamar C-V kurva SBD vertikal untuk setiap elektroda yang berbeda pada frekuensi 1 MHz. Inset adalah plot dari (1/C
2
) versus tegangan V . bG-V kurva SBD vertikal untuk setiap elektroda yang berbeda. Inset adalah plot sudut fase θ versus tegangan V untuk SBD berdiameter 300 m. cJ-V kurva SBD vertikal untuk setiap elektroda yang berbeda
Sirkuit uji tipikal digunakan untuk mengukur karakteristik pemulihan terbalik dari SBD vertikal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Sinyal tegangan gelombang persegi periodik (dari + 20 hingga 20 V) diterapkan secara berurutan ke perangkat yang diuji (DUT), di mana induktor parasit akan menyimpan energi magnetik dan mempengaruhi arus. Ketika sinyal tegangan berubah, arus osilasi dapat terjadi selama periode tersebut. Sebuah probe arus berkecepatan tinggi dengan osiloskop Tektronix MDO 4104-3 ditempatkan untuk mendeteksi variasi arus transien dalam SBD vertikal. Seperti bentuk gelombang skema arus pemulihan balik ditunjukkan pada Gambar. 3b, dalam penelitian ini, ta didefinisikan sebagai waktu penyimpanan saat tb didefinisikan sebagai waktu tunda arus balik. Dan waktu pemulihan terbalik Trr didefinisikan sebagai waktu saat arus balik pulih hingga 10% dari arus pemulihan balik maksimum IRM , yang merupakan jumlah dari ta dan tb . Dan biaya pemulihan terbalik Qrr diperoleh dengan mengintegrasikan arus balik hingga Trr yang sesuai dengan akumulasi muatan dalam dioda.
a Sirkuit uji yang digunakan untuk mengukur karakteristik pemulihan terbalik dari SBD vertikal. b Bentuk gelombang skema dari karakteristik pemulihan terbalik dari SBD vertikal
Gambar 4 menunjukkan kurva pemulihan terbalik dari SBD vertikal untuk setiap diameter elektroda ketika tegangan yang diterapkan dialihkan dari + 20 ke 20 V. Di sini, untuk SBD berdiameter 100, 200, 300, 400, dan 500 μm , Trr nilai yang diperoleh menjadi 15,8, 16,2, 18,1, 21,22, dan 24,5 ns, sedangkan Qrr nilai-nilai tersebut diintegrasikan masing-masing menjadi 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280, dan 0,405 nC. Perangkat vertikal ini semuanya menunjukkan waktu peralihan yang cepat (kurang dari 25 ns). Arus balik yang cukup rendah juga diamati dalam hasil, yang mungkin disebabkan oleh jumlah muatan tersimpan yang lebih kecil di SBD [13]. Sementara itu, juga terlihat jelas bahwa nilai Trr dan Qrr keduanya meningkat bersamaan dengan pembesaran diameter elektroda, dan yang terkecil menunjukkan yang tercepat Trr dari 15,8 ns.
Membalikkan arus pemulihan SBD vertikal untuk setiap elektroda yang berbeda
Untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme yang mendasari perubahan tersebut, SBD vertikal juga diukur ketika tegangan dialihkan dari + 10 ke 10 V. Sebagai waktu pemulihan terbalik Trr versus diameter dioda d diplot pada Gambar. 5, nilai Trr untuk setiap dioda tidak berubah secara nyata. Biaya pemulihan terbalik Qrr versus d ditampilkan pada Gambar 6 secara bersamaan, di mana data dua kurva mengarah ke tren yang sama. Sementara itu, perlu dicatat bahwa Qrr dari kedua tes menunjukkan korelasi positif yang signifikan dengan d2
, yaitu, area elektroda.
Membalikkan waktu pemulihan Trr versus diameter elektroda d
Membalikkan biaya pemulihan Qrr versus diameter elektroda d
Bahkan, dilaporkan bahwa efek pemulihan terbalik harus terutama dari induktansi parasit dan perangkap antarmuka SBD [25, 26]. Mempertimbangkan bahwa kontribusi induktansi parasit dicirikan dalam bentuk arus osilasi yang tidak diamati dengan jelas dalam kurva pemulihan terbalik ini, dengan demikian, perubahan waktu pemulihan balik dan biaya pemulihan balik seharusnya dihasilkan dari perangkap [27, 28]. Karena konsentrasi perangkap seragam di SBD vertikal, Qrr akan tergantung pada area kontak perangkat dan akhirnya meningkat dengan area elektroda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Dengan demikian, perangkap bertindak sebagai penghenti medan listrik di antarmuka. Selama ta periode, penundaan sangat dipengaruhi oleh perangkap pembawa di persimpangan Schottky, sedangkan di tb periode, kecepatan pemulihan terbalik juga diperlambat oleh waktu untuk menyapu muatan yang tersimpan keluar dari persimpangan. Hasil ini konsisten dengan laporan kami sebelumnya [29], yang menyarankan RC konstanta waktu meningkat dengan meningkatnya diameter perangkat dan menunjukkan ketergantungan yang baik dengan waktu pemulihan terbalik. Dan peningkatan lebih lanjut dari karakteristik pemulihan terbalik dapat diharapkan dari elektroda yang lebih kecil atau lapisan drift yang lebih tipis di perangkat ini.
Selain itu, kinerja pemulihan SBD vertikal diselidiki lebih lanjut dalam suhu yang lebih tinggi. Gambar 7 menunjukkan arus pemulihan balik untuk SBD GaN berdiameter 500 m yang masing-masing diukur pada 300, 400, dan 500 K. Baik waktu pemulihan balik maupun biaya pemulihan terbalik diamati tidak berubah dengan naiknya suhu. Hasil ini konsisten dengan analisis di atas, karena konsentrasi perangkap tidak terlalu sensitif terhadap suhu. Sebaliknya, dilaporkan bahwa waktu pemulihan terbalik dari SBD berbasis Si akan meningkat sebesar 191% karena suhu naik dari 300 menjadi 425 K [17]. Di sini, dengan masa pakai pembawa yang pendek dan celah pita yang lebih lebar, SBD GaN terbukti memberikan peningkatan substansial dalam kemampuan penanganan arus, pemulihan balik, dan kehilangan energi. Karena stabilitas termal SBD berbasis GaN lebih unggul daripada semikonduktor celah pita sempit tradisional [30], dapat disimpulkan bahwa GaN juga merupakan bahan yang cocok untuk perangkat switching yang diterapkan pada lingkungan bersuhu tinggi.
Karakteristik pemulihan terbalik untuk SBD berdiameter 500 m yang diukur masing-masing pada 300, 400, dan 500 K
Kesimpulan
Singkatnya, kami membuat SBD GaN vertikal pada substrat FS GaN yang didoping Ge yang ditanam oleh HVPE. Dengan karakterisasi material dan pengukuran tegangan arus yang dilakukan, ini menunjukkan bahwa kualitas kristal dan properti elektronik yang sangat baik diperoleh untuk SBD vertikal. Karakteristik pemulihan terbalik diselidiki secara sistematis. Waktu pemulihan terbalik diperoleh menjadi 15,8, 16,2, 18,1, 21,22, dan 24,5 ns untuk masing-masing dioda berdiameter 100, 200, 300, 400, dan 500 m. Sementara itu, waktu pemulihan terbalik dan biaya pemulihan terbalik keduanya menunjukkan korelasi positif yang signifikan dengan luas elektroda. Hasil kami dapat menjadi referensi untuk lebih meningkatkan kinerja pemulihan SBD berbasis GaN.
