CRD Pemblokiran Terbalik AlGaN/GaN Akurasi Tinggi (RB-CRD) dengan Hybrid Trench Cathode
Abstrak
Dioda pengatur arus pemblokiran terbalik AlGaN/GaN lateral (RB-CRD) dengan anoda Schottky parit dan katoda parit hibrida telah diusulkan dan didemonstrasikan secara eksperimental pada substrat silikon. Dioda penghalang Schottky (SBD) yang terintegrasi dalam anoda menunjukkan tegangan nyala 0,7 V dan tegangan tembus balik 260 V. Katoda parit hibrida bertindak sebagai CRD, yang terhubung seri dengan anoda SBD. Tegangan lutut 1,3 V dan tegangan operasi maju melebihi 200 V dapat dicapai untuk RB-CRD. RB-CRD mampu menghasilkan arus stabil yang sangat baik dalam rentang suhu yang luas dari 25 hingga 300 °C. Selain itu, arus pengatur maju menunjukkan koefisien suhu negatif yang kecil kurang dari 0,152%/
o
C.
Latar Belakang
Semikonduktor celah pita lebar telah menarik perhatian yang cukup besar untuk generasi berikutnya dari perangkat berdaya tinggi, frekuensi tinggi, dan suhu tinggi. GaN merupakan salah satu semikonduktor celah pita lebar yang paling menjanjikan karena keunggulannya seperti celah pita yang besar, mobilitas elektron yang tinggi, dan medan listrik kritis yang tinggi [1,2,3,4,5]. Selain itu, karena kombinasi polarisasi spontan dan polarisasi piezoelektrik, gas elektron dua dimensi berdensitas tinggi (2DEG) dapat dicapai pada antarmuka hetero AlGaN/GaN. Sifat yang sangat baik tersebut memungkinkan perangkat daya berbasis AlGaN/GaN untuk beroperasi dengan resistansi rendah sambil mempertahankan tegangan tembus yang tinggi. Platform silikon GaN-on (GaN-on-Si) [6,7,8] telah dianggap sebagai teknologi paling menjanjikan menuju perangkat daya berkinerja tinggi dan berbiaya rendah, karena ketersediaan wafer silikon berdiameter besar dan kompatibilitas dengan proses fabrikasi CMOS matang yang ada. Sampai saat ini, berbagai perangkat listrik [9,10,11,12,13,14,15,16] telah didemonstrasikan pada AlGaN/GaN-on-Si dan beberapa di antaranya tersedia secara komersial. Pada saat yang sama, pengembangan perangkat AlGaN/GaN dengan fungsionalitas baru dapat memperluas potensi aplikasi AlGaN/GaN-on-Si, yang bermanfaat untuk mendorong komersialisasi ekstensif teknologi AlGaN/GaN.
Seperti yang disajikan pada Gambar. 1a, dalam karya ini, perangkat tipe baru yang disebut sebagai dioda pengatur arus pemblokiran terbalik (RB-CRD) didemonstrasikan secara eksperimental pada AlGaN/GaN-on-Si. RB-CRD memiliki fitur anoda parit Schottky dan katoda parit hibrida. Dioda penghalang Schottky parit (SBD) terbentuk di anoda sementara CRD dicapai di katoda parit hibrida. RB-CRD dapat dianggap sebagai SBD dalam hubungan seri dengan CRD. Aplikasi khas RB-CRD adalah pengisian baterai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Dalam rangkaian pengisian baterai yang disebutkan di atas, CRD bertindak sebagai sumber arus konstan, yang mengeluarkan arus konstan untuk mengisi baterai [17,18,19] terlepas dari fluktuasi tegangan maju antara input dan baterai. Jika tegangan input turun di bawah tegangan baterai, SBD bias terbalik di sirkuit akan mencegah baterai habis.
a Penampang skema RB-CRD. b Diagram rangkaian pengisian baterai menggunakan RB-CRD
Metode
Heterostruktur AlGaN/GaN epitaxial yang digunakan untuk fabrikasi RB-CRD ditumbuhkan pada substrat silikon 6-in (111) oleh deposisi uap kimia organik logam (MOCVD). Lapisan epitaxial terdiri dari 2-nm GaN cap, 23-nm AlGaN barrier, 1-nm AlN interlayer, 300-nm GaN channel, dan 3.5-μm buffer. Efek Hall mengukur kepadatan dan mobilitas 2DEG adalah 9,5 × 10
12
cm
−2
dan 1500 cm
2
/V·s, masing-masing. Proses fabrikasi perangkat ditunjukkan pada Gbr. 2. Pertama, parit dangkal (lihat Gbr. 3) diukir di katoda RB-CRD oleh Cl2 daya rendah /BCl3 teknik etsa plasma berpasangan induktif (ICP). Tingkat etsa 7 nm/menit diamati menggunakan resep etsa yang dikembangkan dengan daya RF 20 W, daya ICP 60 W, Cl2 aliran 5 sccm, dan BCl3 aliran 10 sccm. Kemudian, isolasi mesa dengan kedalaman 300 nm dibentuk menggunakan teknik etsa ICP yang sama untuk memutuskan perangkat. Parit anoda dicapai dengan proses ini secara bersamaan. Setelah itu, timbunan logam Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm nm) diendapkan dengan penguapan berkas elektron, diikuti dengan annealing termal cepat pada 880 °C selama 35 s di N 2 Sekelilingnya. Resistansi kontak ohmik 1,1 Ω mm dan resistansi lembaran 400 Ω/persegi diekstraksi dengan metode saluran transmisi. Akhirnya, proses fabrikasi perangkat berakhir dengan pengendapan tumpukan logam Schottky Ni/Au (50/300 nm). Jarak antara anoda dan katoda (LAC ) adalah 4 μm. Panjang kontak ohmik (LO ) dan kontak Schottky (LS ) di parit katoda adalah 0,5 μm dan 1 μm, masing-masing. Overhang yang diperpanjang (LE ) dari kontak Schottky adalah 0,5 μm.
Alur proses manufaktur RB-CRD
a Gambar AFM dari parit katoda. b Profil ketinggian diambil dari parit katoda
Hasil dan Diskusi
Gambar 3a menunjukkan gambar mikroskop gaya atom (AFM) 3D dari parit katoda yang dibuat. Kekasaran permukaan bagian bawah parit katoda adalah 0,3 nm. Kekasaran permukaan yang kecil seperti itu bermanfaat untuk kontak semikonduktor logam berikut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, dengan parit katoda kedalaman 17 nm, lapisan penghalang AlGaN 8 nm tetap berada di wilayah parit katoda. Lapisan penghalang AlGaN yang tersisa memungkinkan saluran 2DEG di wilayah parit katoda selalu ada pada bias nol.
Gambar 4 mengilustrasikan mekanisme operasi RB-CRD. Ketika bias nol diterapkan pada anoda (VAC = 0 V) (lihat Gbr. 4a), RB-CRD dianalogikan dengan HEMT mode deplesi saluran Schottky dengan elektroda sumber gerbang yang terhubung. Ketika bias negatif diterapkan pada anoda (VAC < 0 V) (lihat Gbr. 4b), elektron akan terakumulasi di daerah parit katoda sedangkan saluran 2DEG akan habis di daerah anoda karena adanya sambungan Schottky yang dibias terbalik. Tidak ada arus yang diinginkan antara anoda dan katoda, dan RB-CRD bertindak sebagai SBD dengan bias mundur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, ketika bias positif yang berada di luar tegangan penyalaan (VT , pada 1 mA/mm) dari anoda SBD diterapkan ke anoda (VAC> VT ), elektron akan mengalir antara kontak ohmik di katoda dan kontak Schottky di anoda. Sementara itu, persimpangan Schottky di katoda dibias mundur dan saluran 2DEG di bawah kontak Schottky akan berkurang secara bertahap dengan meningkatnya bias maju. Oleh karena itu, arus keluaran awalnya akan meningkat dengan tegangan anoda yang diberikan dan kemudian secara bertahap mencapai saturasi. Dalam kasus seperti itu, arus keluaran yang stabil dapat diperoleh.
Mekanisme operasi skema RB-CRD di bawah a bias nol, b bias terbalik, dan c kondisi bias maju
Maju yang bergantung pada suhu I-V karakteristik RB-CRD pada wafer ditunjukkan pada Gambar 5. Seperti ditunjukkan pada Gambar 5a, untuk RB-CRD, tegangan lutut (VK , pada 80% dari arus pengatur tunak) 1,3 V diperoleh yang lebih tinggi dari CRD yang kami laporkan sebelumnya (misalnya, nilai tipikal 0,6 V) [20, 21]. Hal ini disebabkan oleh penurunan tegangan tambahan (misalnya, nilai tipikal 0,7 V) pada anoda SBD dari RB-CRD. Dengan peningkatan suhu dari 25 menjadi 300 °C (lihat Gbr. 5a), pergeseran negatif pada VT diamati, yang dapat dijelaskan oleh model emisi termionik (yaitu, energi yang lebih rendah diperlukan untuk elektron untuk mengatasi penghalang Schottky pada suhu yang lebih tinggi). RB-CRD mampu mengeluarkan arus pengatur yang stabil hingga 200 V (lihat Gambar 5b), yang lebih tinggi dari tegangan operasi maksimum yang dilaporkan dari CRD komersial berbasis Si [22,23,24]. Pada 25 °C, rasio arus pengatur (I200 V /Aku25 V ) dari RB-CRD yang diusulkan adalah 0,998 yang menunjukkan bahwa arus keluaran cukup stabil. Berkat kemampuan operasi suhu tinggi intrinsik dari platform AlGaN/GaN, RB-CRD menunjukkan degradasi yang dapat diabaikan dalam kemantapan IA hingga 200 V pada suhu setinggi 300 °C. Sementara itu, dengan meningkatnya suhu dari 25 menjadi 300 °C, bagian depan IA berkurang dari 31,1 menjadi 23,1 mA/mm karena penurunan mobilitas elektron pada suhu tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Koefisien suhu (α ) dari arus pengatur pada rentang suhu yang berbeda dapat dihitung dengan rumus berikut
dimana Aku0 adalah arus keluaran pada suhu T0 dan Aku1 adalah arus keluaran pada suhu T1 . Koefisien suhu kecil kurang dari 0,152%/
o
C diamati, menunjukkan bahwa RB-CRD yang dibuat memiliki stabilitas termal yang sangat baik.
Bias maju yang bergantung pada suhu I -V karakteristik RB-CRD. Rentang tegangan anoda:a 0–2 V, b 0–200 V
Seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 6, tegangan tembus balik RB-CRD adalah 260 V pada 25 °C. Medan listrik kritis rata-rata yang sesuai dihitung menjadi 0,65 MV/cm. Ketergantungan suhu terbalik I-V karakteristik RB-CRD ditunjukkan pada Gambar. 6. Peningkatan suhu sekitar dari 25 menjadi 300 °C menimbulkan peningkatan arus bocor sebanyak dua kali lipat.
Bias balik bergantung suhu I -V karakteristik RB-CRD
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, novel AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD yang menampilkan anoda parit Schottky dan katoda parit hibrida telah berhasil didemonstrasikan untuk pertama kalinya. RB-CRD buatan menunjukkan VK 1,3 V, tegangan operasi maju lebih dari 200 V, dan tegangan tembus mundur 260 V. Akurasi yang sangat baik serta koefisien suhu negatif kecil kurang dari 0,152%/
o
C telah diperoleh untuk RB-CRD. RB-CRD multifungsi dengan akurasi tinggi memiliki potensi besar untuk dimasukkan ke dalam sistem elektronika daya GaN yang sedang berkembang.
