Tegangan Tinggi -Ga2O3 Dioda Schottky dengan Penghentian Tepi yang Ditanam Argon
Abstrak
Au/Ni/β-Ga2 . yang diakhiri tepi O3 Dioda penghalang Schottky dibuat dengan menggunakan implantasi argon untuk membentuk lapisan resistivitas tinggi di pinggiran kontak anoda. Dengan energi implantasi 50 keV dan dosis 5 × 10
14
cm
−2
dan 1 × 10
16
cm
−2
, tegangan tembus terbalik meningkat dari 209 menjadi 252 dan 451 V (maksimum hingga 550 V) dan angka jasa Baliga (VBR
2
/Rdi ) juga meningkat dari 25,7 menjadi 30,2 dan 61,6 MW cm
−2
, masing-masing sekitar 17,5% dan 140% peningkatan. Menurut simulasi 2D, medan listrik di sudut persimpangan dihaluskan setelah implantasi argon dan posisi maksimum gangguan listrik yang diajukan, 5,05 MV/cm, berubah dari sudut anoda pada antarmuka ke sudut tumpang tindih tepat di bawah implantasi wilayah. Ketergantungan suhu dari karakteristik maju juga diselidiki.
Latar Belakang
Pengembangan perangkat berdaya tinggi menggunakan bahan semikonduktor celah pita ultra lebar seperti Ga2 O3 , AlN, berlian, dll. semakin cepat dalam beberapa tahun terakhir. Celah pita -Ga2 O3 sebesar 4,8–4,9 eV dan bidang perincian -Ga2 O3 diperkirakan 8 MV/cm, sekitar tiga kali lebih besar dari 4H-SiC dan GaN. Angka merit Baliga, 3400, setidaknya sepuluh kali lebih besar dari 4H-SiC dan empat kali lebih besar dari GaN [1]. Selanjutnya, kristal tunggal besar dan -Ga2 . murah dan murah O3 substrat dapat difabrikasi dengan metode pertumbuhan lelehan seperti zona terapung (FZ) [2] dan pertumbuhan umpan film yang ditentukan tepi (EFG) [3, 4]. Kerapatan elektron dapat dikontrol pada rentang yang luas dari 10
16
sampai 10
19
cm
−3
dengan doping dengan Sn, Si, atau Ge [5,6,7]. Properti luar biasa ini menjadikan -Ga2 O3 ideal untuk tegangan rendah, switching tegangan tinggi dan aplikasi daya tinggi, termasuk tegangan rusak tinggi Schottky barrier diode (SBD) dan transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) [8,9,10,11,12] . Dioda penghalang Schottky memiliki keunggulan kecepatan switching yang cepat dan penurunan tegangan maju yang rendah dibandingkan dengan dioda sambungan p-n, yang dapat mengurangi kehilangan daya dan meningkatkan efisiensi catu daya.
Meskipun tegangan tembus besar 1016 V, 2300 V, dan 1600 V telah diperoleh di -Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky tanpa pemutusan tepi, semuanya sekitar 34%, 8%, dan 10% dari nilai ideal [10, 13, 14]. Untuk menghilangkan efek crowding medan listrik dan sepenuhnya menyadari potensi tegangan -Ga2 O3 , terminasi tepi yang sesuai harus dirancang. Ada beberapa teknik terminasi tepi untuk meningkatkan tegangan tembus perangkat seperti pelat medan, cincin logam mengambang, struktur MOS parit, cincin pelindung implan, dan ekstensi penghentian sambungan (JTE) [12, 15,16,17]. Namun, cincin pelindung implan dan struktur JTE tidak berlaku untuk Ga2 O3 Dioda Schottky karena kurangnya doping tipe-p. H. Matsunami dan BJ Baliga mengemukakan struktur terminasi tepi, menggunakan implantasi argon untuk membentuk lapisan amorf resistivitas tinggi di tepi anoda, untuk mengurangi crowding medan listrik [18,19,20,21,22], yaitu teknik sederhana tanpa multi-fotolitografi atau langkah etsa parit dalam yang diperlukan, dan ini banyak digunakan dalam penyearah SiC dan GaN untuk memperlancar distribusi medan listrik di sekitar pinggiran kontak penyearah [15, 23, 24].
Dalam makalah ini, ujung vertikal diakhiri -Ga2 O3 Dioda Schottky dibuat dengan implantasi argon di tepi kontak Schottky. Karakteristik kapasitansi–tegangan (C–V) dan tegangan rapat arus (J-V) yang bergantung pada suhu dicatat menggunakan sistem karakterisasi semikonduktor Keithley 4200 dan distribusi medan listrik juga dianalisis.
Metode/Eksperimental
Lapisan drift dengan ketebalan 10 μm diperoleh dari -Ga berorientasi Sn-doped (100) berkualitas tinggi2 O3 substrat massal dengan pengelupasan mekanis. -Ga2 O3 massal ditanam dengan teknik EFG dengan 4 N Ga murni2 O3 bubuk sebagai bahan awal. Kualitas kristal yang sangat baik dan permukaan yang halus dikonfirmasi oleh pengukuran difraksi sinar-x resolusi tinggi (HRXRD) dan mikroskop gaya atom (AFM), seperti yang disajikan pada Gambar 1a, b. Lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dan akar rata-rata kuadrat (RMS) diperkirakan masing-masing 37,4 busur dan 0,203 nm. Gambar 1c menunjukkan distribusi -Ga2 O3 resistensi lembaran substrat dengan ketebalan 10 μm dengan pengukuran probe empat titik. Menggunakan konsentrasi pembawa (1.3 ± 0.04) × 10
17
cm
−3
dan resistansi lembaran (563 ± 18.5)Ω/□, mobilitas elektron dihitung menjadi 85,3~95,2 cm
2
/Vs oleh n = 1/(RLembar × n × q × t ), di mana n, RLembar,n , q , dan t adalah mobilitas elektron, resistansi lembaran, konsentrasi elektron, muatan elektron, dan ketebalan -Ga2 O3 substrat, mirip dengan hasil yang dilaporkan [25]. Implantasi ion argon dengan energi 50 keV, dosis 2,5 × 10
14
cm
−2
, dan anil suhu tinggi pada 950 °C selama 60 menit di N2 atmosfer pertama kali dilakukan di sisi belakang, diikuti oleh penguapan sinar-E dari tumpukan logam ohmik Ti/Au (20 nm/100 nm) dan anil termal cepat pada 600 °C selama 60 dtk di N2 Sekelilingnya. Kemudian photoresist setebal 2 m digunakan sebagai topeng untuk implantasi argon pada suhu kamar dengan energi 50 keV dan dosis 5 × 10
14
cm
−2
(contoh B) dan 1 × 10
16
cm
−2
(contoh C), masing-masing. Untuk memperbaiki kerusakan implantasi dan mengurangi arus bocor di bawah bias balik, sampel yang ditanamkan mengalami anil termal cepat pada 400 °C selama 60 detik di bawah N2 sekitar [13, 26]. Akhirnya, elektroda anoda Schottky melingkar dengan diameter 100 m dibuat di sisi depan dengan pola fotolitografi standar, penguapan tumpukan Ni/Au (30 nm/200 nm), dan pengangkatan. Perangkat referensi tanpa implantasi argon juga dibuat (sampel A). Gambar 2a menggambarkan TEM penampang dari Fabrikasi-Ga2 O3 Dioda Schottky dengan pemutusan tepi yang ditanamkan argon. Sebuah hampir permukaan amorf -Ga2 O3 lapisan dibuat di daerah implantasi. Foto sebenarnya dari -Ga2 . yang dihentikan O3 Dioda Schottky ditunjukkan pada Gambar 2b. Gambar 2c mewakili pengaturan pengukuran arus-tegangan maju (I -V ) karakteristik -Ga2 O3 SBD, sedangkan tegangan pengukuran berkisar antara 0 dan 3 V dan langkahnya adalah 10 mV. Gambar 2d menggambarkan pengaturan pengukuran arus-tegangan terbalik (I -V ) karakteristik -Ga2 O3 Penyearah Schottky untuk mendapatkan tegangan tembus, sedangkan tegangan pengukuran berkisar antara 0 dan 500 V dan langkahnya adalah 1 V.
a Kurva goyang XRD dan b Gambar AFM dari -Ga2 O3 lapisan melayang secara mekanis dikelupas dari (100) -Ga2 O3 substrat c resistansi lembaran terukur 10 mm × 10 mm -Ga2 O3 substrat
a Gambar TEM sampel C dan b foto -Ga2 . yang dihentikan O3 Dioda Schottky c pengaturan pengukuran arus maju dan d karakteristik tegangan arus balik (I-V) dari -Ga2 O3 SBD untuk mendapatkan tegangan tembus
Hasil dan diskusi
Gambar 3 menunjukkan 1/C . eksperimental
2
versus V karakteristik tiga sampel SBD pada suhu kamar. Konsentrasi pembawa efektif Nd -Ta dari -Ga2 O3 lapisan drift dan potensi bawaan (eVbi ) diekstraksi menjadi (1.3 ± 0.04) × 10
17
cm
−3
dan (1,30 ± 0,08) eV, masing-masing. Menurut persamaan berikut, tinggi penghalang Schottky φb_CV dihitung menjadi (1,32 ± 0,08) eV.
dimana A , q , dan ε adalah bidang kontak Schottky, muatan elektron, dan permitivitas -Ga2 O3 . Ec , Ef , eΔφ , k , T , dan Tc adalah minimum pita konduksi, tingkat Fermi, penurunan penghalang potensial yang disebabkan oleh gaya gambar, konstanta Boltzmann, suhu absolut dalam K, dan kepadatan efektif keadaan pita konduksi.
Gambar 4a mewakili tegangan rapat arus maju(J -V ) karakteristik -Ga2 O3 SBD. Di bawah bias maju, implantasi argon tidak berpengaruh signifikan pada karakteristik listrik. Tegangan ambang ditentukan menjadi 0,91 V, 0,92 V, dan 0,95 V untuk tiga sampel, Ipada /Akunonaktif semua rasio lebih besar dari 10
9
pada suhu kamar dan dengan menyesuaikan wilayah linier, resistansi-on spesifik (Rpada ) adalah 1.7,2.1 dan 3.3 mΩ cm
2
, dan rapat arus maju pada 2 V adalah 857, 699, dan 621 A/cm
2
untuk tiga sampel, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a inset. Densitas arus lebih tinggi dan resistansi spesifik lebih rendah atau sebanding dengan nilai yang dilaporkan untuk konduktivitas dan densitas pembawa yang lebih tinggi di lapisan drift [12, 13, 26,27,28,29,30].
a Penyerang J -V karakteristik -Ga2 . yang diakhiri dan tidak diakhiri O3 pada suhu kamar dan b maju yang bergantung pada suhu J -V karakteristik sampel C dari 300 hingga 423 K. c Plot Richardson tentang ln(J s/T
2
) vs 1000/T dari sampel C
Untuk menyelidiki efek implantasi argon pada ketergantungan suhu karakteristik maju, J -V pengukuran sampel C dilakukan dari 300 hingga 423 K, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Faktor ideal n dan tinggi penghalang Schottky φb_JV ditentukan menjadi 1,06 dan 1,22 eV pada suhu kamar, lebih rendah dari φb_CV dari (1,32 ± 0,08) eV, menurut model emisi termionik (TE) [31, 32]. Dengan meningkatnya suhu, n menurun dari 1,06 menjadi 1,02 dan ketinggian penghalang sedikit berkurang tetapi hampir konstan pada 1,21 ± 0,01 eV selama rentang suhu, yang bertentangan dengan penurunan ketinggian penghalang dari dioda Schottky ideal dengan kenaikan suhu tetapi telah diamati pada -Ga fabrikasi 2 O3 SBD [26]. Menggunakan persamaan ln(J s/T
2
) = ln(A*)-qϕb /kT , ketinggian penghalang ϕb dan konstanta Richardson efektif A* ditentukan sebagai 1,22 eV dan 48,5 A/cm
2
K
2
untuk sampel C dari lereng dan y intersep -sumbu dari daerah linier plot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Selanjutnya, nilai A* yang diekstraksi untuk puluhan perangkat pada tiga sampel adalah antara 24 dan 58 A/cm
2
K
2
, konsisten dengan hasil eksperimen dan nilai teoretis sebelumnya, 24-58 A/cm
2
K
2
, dengan massa elektron efektif m
*
= 0,23–0,34 m0 dari -Ga2 O3 [33,34,35,36,37].
Gambar 5a menggambarkan kebalikan J -V karakteristik sampel. Setelah implantasi argon, tegangan tembus meningkat dari 209 menjadi 252 dan 451 V dan angka jasa Baliga (VBR
2
/Rdi ) untuk tiga sampel adalah sekitar 25,7, 30,2, dan 61,6 MW cm
−2
, masing-masing. Selama implantasi, beberapa cacat dapat diperkenalkan dan menyebabkan peningkatan arus bocor yang signifikan dan tidak diinginkan, yang juga dilaporkan dalam perangkat dioda SiC dan GaN Schottky [18,19,20]. Meskipun anil termal dilakukan setelah implantasi argon, masih ada arus bocor yang sedikit lebih besar untuk sampel B dan C. Oleh karena itu, detail penyelidikan suhu dan durasi pasca anil pada karakteristik listrik maju dan mundur harus dibahas dalam makalah berikut.
a Kebalikannya J -V karakteristik -Ga2 O3 sampel pada suhu kamar. b dan c Distribusi tegangan tembus β-Ga2 O3 SBD dengan dan tanpa implantasi argon
Gambar 5b, c menyajikan distribusi tegangan tembus β-Ga2 O3 Penyearah Schottky dengan dan tanpa implantasi argon. Tegangan tembus paralel bidang yang ideal dari perangkat ini ditentukan sebagai 553 ~598 V, menggunakan medan listrik kritis 5,1~5,3 MV/cm [11, 39]. Tegangan tembus tanpa implantasi argon adalah sekitar 110 ~310 V, yaitu sekitar 50% dari nilai ideal. Namun, dengan dosis implantasi argon 5 × 10
14
cm
−2
, tegangan tembus meningkat menjadi 150~350 V, tidak jauh lebih besar dari perangkat referensi, sedangkan dengan dosis 1 × 10
16
cm
−2
, tegangan tembus mendekati nilai ideal. Dalam pekerjaan ini, tegangan tembus maksimum 550 V dapat diperoleh. Selain itu, distribusi medan listrik pada tegangan tembus disimulasikan. Untuk penyederhanaan, tingkat akseptor midgap tunggal ditambahkan dengan kedalaman implantasi 50 nm yang ditentukan oleh simulasi TRIM dan model ionisasi yang tidak lengkap juga dipertimbangkan [38], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Jelas, lapisan resistivitas tinggi secara efektif menghaluskan keluar medan listrik di sudut persimpangan dan sangat meningkatkan tegangan tembus dibandingkan dengan sampel referensi. Medan listrik maksimum pada tegangan tembus semuanya sekitar 5,05 MV/cm, mirip dengan hasil yang dilaporkan [11, 39], sedangkan posisi berubah dari sudut anoda pada antarmuka ke sudut tumpang tindih tepat di bawah wilayah implantasi, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 6d, e.
Simulasi distribusi medan listrik pada tegangan tembus sampel A–C (a , c , e ), gambar yang diperbesar dari wilayah yang dipilih dalam kotak putus-putus (b , d , f , g ), medan listrik yang disimulasikan vs posisi sepanjang garis putus-putus di (b , d , f ) untuk tiga sampel, Au/Ni/β-Ga2 O3 antarmuka untuk sampel A, masing-masing 50 nm di bawah antarmuka untuk sampel B dan C. Bidang maksimum adalah 5,05 MV/cm
Kesimpulan
Vertikal Au/Ni/β-Ga2 O3 Dioda penghalang Schottky dengan pemutusan tepi yang dibentuk oleh implantasi argon dibuat pada -Ga2 O3 lapisan drift yang dikelupas secara mekanis dari -Ga2 . berorientasi berkualitas tinggi (100) O3 substrat massal. Dibandingkan dengan perangkat kontrol, resistansi spesifik (Rpada ) meningkat dari 1,7 menjadi 2,1 dan 3,3 mΩ cm
2
dan tegangan tembus meningkat dari 209 menjadi 252 dan 451 V untuk dosis implantasi 5 × 10
14
cm
−2
dan 1 × 10
16
cm
−2
, masing-masing, dengan arus bocor balik yang lebih besar. Medan listrik maksimum pada tegangan tembus adalah sekitar 5,05 MV/cm, jauh lebih besar daripada SiC dan GaN.
