Studi Teoritis dan Eksperimental pada AlGaN/GaN Schottky Barrier Diode pada Substrat Si dengan Double-Heterojunction
Abstrak
AlGaN/GaN Schottky barrier diode (SBD) dengan double-heterojunction secara teoritis dan eksperimental diselidiki pada sub-sub GaN/AlGaN/GaN/Si. Gas lubang dua dimensi (2DHG) dan gas elektron (2DEG) masing-masing terbentuk pada antarmuka GaN-top/AlGaN dan AlGaN/GaN. Pada keadaan tidak aktif, 2DEH dan 2DHG sebagian habis dan kemudian hilang sama sekali. Tetap ada muatan polarisasi positif dan negatif yang tetap, membentuk persimpangan polarisasi. Oleh karena itu, medan listrik datar di daerah drift dan tegangan tembus tinggi (BV) diperoleh. Selain itu, anoda tersembunyi untuk mengurangi tegangan penyalaan (VAKTIF ). Proses etsa ICP dengan kerusakan rendah menghasilkan kontak Schottky yang lebih baik, dan arus bocor yang rendah dan V yang rendah AKTIF diperoleh. SBD yang dibuat menunjukkan BV 1109 V dengan jarak anoda-ke-katoda (LAC ) sebesar 11 μm. SBD buatan mencapai V low yang rendah AKTIF 0,68 V dengan keseragaman yang baik, rasio arus hidup/mati yang tinggi 10
10
pada suhu kamar, resistansi spesifik rendah (RAKTIF,SP ) sebesar 1,17 mΩ cm
2
, dan figure-of-merit (FOM) Baliga yang tinggi sebesar 1051 MW/cm
2
.
Pengantar
Dioda lateral berbasis heterostruktur AlGaN/GaN merupakan perangkat yang menarik karena mobilitas elektron yang tinggi dari gas elektron dua dimensi (2DEG), kecepatan saturasi elektron yang tinggi, dan medan listrik breakdown yang tinggi [1,2,3]. Upaya ekstensif telah dilakukan untuk mencapai tegangan nyala rendah (VAKTIF ), arus bocor balik rendah dan tegangan tembus tinggi (BV) untuk dioda GaN yang digunakan pada konverter dan inverter untuk catu daya dan koreksi faktor daya [4,5,6,7,8,9,10,11,12] . Berbagai pendekatan telah diusulkan untuk menyelesaikan distribusi medan listrik yang tidak seragam. Salah satunya adalah teknologi field-plate (FP) [5, 13]. SBD anoda yang sepenuhnya tersembunyi dengan pelat medan ganda mencapai tegangan tembus tinggi 1,9 kV dengan 25 m LAC [5]. Itu juga dapat secara signifikan mengurangi tegangan nyala sambil mempertahankan tegangan tembus yang tinggi. Selain itu, konsep REduced SURface Field (RESURF) konvensional yang biasa digunakan dalam teknologi silikon telah didemonstrasikan dalam GaN HEMT [14]. Selain itu, persimpangan polarisasi (PJ) yang terdiri dari gas lubang dua dimensi (2DHG) di atas 2DEG diusulkan untuk meningkatkan hubungan antara resistansi-on spesifik (RAKTIF,SP ) dan BV [15,16,17,18]. Perangkat berbasis GaN berdasarkan konsep PJ telah didemonstrasikan pada substrat Sapphire dan SiC, sedangkan biaya tinggi dan diameter kecil GaN pada substrat SiC bertentangan dengan aplikasi komersial massal. GaN-on-Si dengan diameter besar dianggap sebagai pilihan yang menjanjikan karena biaya rendah [19,20,21,22]. Oleh karena itu, kinerja dioda PJ pada substrat silikon layak untuk dipelajari.
Dalam karya ini, kami mengusulkan dan secara eksperimental mendemonstrasikan dioda penghalang Schottky GaN / AlGaN / GaN-on-Si dengan double-heterojunction (DJ). Efek persimpangan polarisasi dikonfirmasi oleh simulasi dan eksperimen. Medan listrik datar (E-field) antara anoda dan elektroda katoda tercapai. Proses ICP untuk mengetsa parit Schottky dioptimalkan untuk mencapai arus bocor balik yang rendah dan V yang rendah AKTIF dengan keseragaman etsa yang sangat baik. Proses kontak ohmik juga dioptimalkan untuk mencapai resistansi kontak rendah (untuk 2DEG) berdasarkan lapisan epitaxial yang disesuaikan (dengan 45 nm GaN-top). Oleh karena itu, tegangan tembus 1109 V dicapai untuk SBD dengan 11 μm LAC dan figure-of-merit (FOM) Baliga adalah 1051 MW/cm
2
. Ketergantungan suhu dan dinamis RAKTIF,SP kinerja juga diselidiki.
Metode dan Eksperimen
Lapisan epitaksial ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia logam-organik pada silikon tipe-p 6-in, yang terdiri dari lapisan penyangga GaN 3,5μm, lapisan saluran GaN 150-nm, interlayer AlN 1-nm, Al 45-nm. 0,25 Ga0,75 Lapisan penghalang N, dan lapisan atas GaN 45-nm dari bawah ke atas. Lapisan atas GaN mencakup lapisan p-GaN 35-nm dan lapisan GaN tanpa doping 10-nm. Untuk ketebalan AlGaN yang diberikan sebesar 45 nm, densitas 2DHG meningkat dengan meningkatnya ketebalan atas GaN [22]. Lapisan atas GaN yang tebal sangat penting untuk 2DHG berdensitas tinggi, sementara lapisan ini bertentangan dengan resistansi kontak ohmik rendah (untuk 2DEG). Tampilan skema dari dioda penghalang Schottky double-heterojunction yang diusulkan (DJ SBD) ditunjukkan pada Gambar. 1a. Pembuatan SBD dimulai dengan isolasi mesa oleh Cl2 /BCl3 -pengetsaan plasma berpasangan induktif (ICP) berbasis induktif hingga kedalaman 300 nm. Kemudian, parit ohmik dan parit anoda Schottky dibentuk dengan proses etsa ICP kerusakan rendah. Kedalaman parit ohmik dan parit anoda Schottky masing-masing adalah 50 nm dan 90 nm, yang dikonfirmasi dengan menggunakan mikroskop gaya atom (AFM). Larutan tetrametilamonium hidroksida (TMAH) pada 85 °C selama 15 menit diperkenalkan untuk menghilangkan residu pasca-pengetasan dan untuk memodifikasi dinding samping parit setelah menyelesaikan proses pengetsaan [23]. Kemudian dilakukan annealing pada suhu 400 °C selama 10 menit di N2 ambien dilakukan. Katoda ohmik selanjutnya dibentuk oleh e-beam yang diuapkan Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm), dianil pada 870 °C selama 35 s di N2 ambient, dengan resistansi kontak (RC ) dari 0,49 Ω·mm. Akhirnya, logam anoda dan interkoneksi diendapkan oleh Ni/Au untuk melengkapi aliran fabrikasi. Perangkat menampilkan berbagai LAC dari 7 sampai 11 μm. Gambar 1b menunjukkan gambar TEM penampang resolusi tinggi dari anoda setelah ICP dan deposisi logam, dan struktur lapisan diamati dengan jelas.
a Penampang melintang dari SBD AlGaN/GaN hetero-heterojungsi ganda yang diusulkan dan proses fabrikasi utama. LAC adalah panjang anoda ke katoda. LFP dan L1 masing-masing adalah 1 m dan 2 m. b Gambar HR-TEM dari anoda setelah ICP dan deposisi logam
2DEG diinduksi oleh muatan polarisasi positif di sepanjang antarmuka AlGaN/GaN. Antarmuka GaN/AlGaN atas memiliki muatan polarisasi negatif dan karenanya menghasilkan 2DHG pada antarmuka atas [15]. Kesenjangan antara daerah drift dan katoda (L1 ) digunakan untuk memotong jalur arus lubang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Kami hanya menyelidiki pengaruh L1 dari 2 hingga 3 μm pada karakteristik pemblokiran maju dan mundur karena batas desain tata letak asli. VAKTIF dan RAKTIF,SP tidak menunjukkan perubahan karena L1 tidak mempengaruhi kontak Schottky dan jalur arus elektron. Selain itu, BV sedikit berkurang dengan peningkatan L1 karena daerah drift yang diperpendek. Mekanisme operasi DJ SBD di bawah bias maju hampir sama dengan SBD konvensional, artinya 2DHG hampir tidak mempengaruhi jalur arus elektron dari katoda ke anoda. Dengan meningkatnya tegangan bias balik, 2DEG dan 2DHG sepenuhnya habis. Tetap ada muatan polarisasi positif dan negatif tetap, yang membentuk persimpangan polarisasi. Akibatnya, distribusi medan-E datar antara katoda dan anoda diperoleh (Gbr. 3).
Analisis mekanisme operasi DJ SBD a bias nol dan b bias terbalik
Distribusi medan listrik di sepanjang heterointerface saluran AlGaN/GaN dengan simulasi TCAD. Fraksi Al didefinisikan sebagai 0,25. Kepadatan akseptor bersih (tingkat dalam) di lapisan penyangga diatur menjadi 1,5 × 10
16
cm
−3
dan tingkat energinya adalah 0,45 eV di bawah pita konduksi minimum. Kepadatan akseptor antarmuka AlGaN/GaN diatur menjadi 6 × 10
12
cm
−3
dan tingkat energinya adalah 0,23 eV di bawah pita konduksi minimum
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, karakteristik kerusakan dan mekanisme persimpangan polarisasi dikonfirmasi oleh 2-D Sentaurus TCAD dari Synopsys. Kami telah memperhitungkan beberapa fenomena fisik penting dalam simulasi, termasuk penyempitan celah pita, polarisasi, mobilitas elektron/lubang, ionisasi tumbukan, dan rekombinasi SRH.
Pengukuran efek hall diadopsi untuk menentukan nilai kepadatan dan mobilitas 2DHG atau 2DEG [22]. Pengukuran dilakukan dengan metode Van der Pauw pada suhu kamar. Untuk mengukur 2DHG menurut Ref. [17], sampel pengukuran Hall dibuat dengan kontak ohmik Ni/Au. Kepadatan dan mobilitas 2DHG adalah 9 × 10
12
cm
−2
dan 15 cm
2
/V s, masing-masing. 2DEG diukur dengan sampel dengan GaN-top yang tersembunyi dan sebagian AlGaN yang dibuat dengan kontak ohmik Ti/Al/Ni/Au (untuk 2DEG). Kepadatan dan mobilitas 2DEG adalah 8,5 × 10
12
cm
−2
dan 970 cm
2
/V s, masing-masing. Pengukuran Hall menunjukkan bahwa mobilitas lubang masih jauh lebih rendah daripada mobilitas massal di atas 100 cm
2
/Vs. Degradasi mobilitas dikaitkan dengan difusi Mg dari p-GaN ke GaN yang tidak didoping selama pertumbuhan MOCVD.
Hasil dan Diskusi
I-V . yang diukur meneruskan karakteristik SBD dengan berbagai LAC diplot pada Gambar. 4a dan b. Tegangan pengaktifan (VAKTIF ) adalah 0,68 V dengan variasi kecil 0,02 V. Faktor idealitas dan tinggi penghalang SBD dihitung masing-masing sebagai 1,44 ± 0,15 dan 0,76 ± 0,04 eV. Gambar 4a menunjukkan bahwa rapat arus maju tinggi 183 mA/mm dan 144 mA/mm (@ bias maju 2,5 V) dan resistansi aktif 0,642 dan 1,17 mΩ cm
2
dicapai di LAC =7 dan 11 μm, masing-masing. Selain itu, rasio arus hidup/mati yang sangat baik 10
10
diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Kemiringan subthreshold (SS) adalah 63,0 mV/des, yang mendekati SS ideal (59,6 mV/des).
Bias maju terukur I-V karakteristik DJ SBD di a linier dan b skala semi-log dengan L . yang berbeda AC
Gambar 5a menunjukkan pemblokiran balik terukur I-V karakteristik SBD dengan berbagai LAC pada 300 K. Tegangan tembus perangkat dengan L . yang berbeda AC adalah 803 V, 940 V, dan 1109 V, masing-masing, pada arus bocor 1 mA/mm. Kepadatan 2DEG dan 2DHG dianggap sama selama simulasi. Namun, hasil eksperimen menunjukkan bahwa kepadatan 2DHG (9 × 10
12
cm
−2
) sedikit lebih tinggi daripada 2DEG (8,5 × 10
12
cm
−2
). Perbedaan antara muatan polarisasi positif dan negatif tetap selama keadaan tidak aktif mempengaruhi keseimbangan muatan dan dengan demikian menurunkan tegangan tembus. Pengaruh LAC di BV dan RAKTIF,SP ditunjukkan pada Gambar. 5b. Hubungan yang hampir linier antara BV dan LAC diperoleh, menyiratkan bidang-E lateral yang relatif datar di wilayah drift. Karena efek persimpangan polarisasi, perangkat menunjukkan nilai Baliga yang tinggi (FOM =BV
2
/RAKTIF,SP ) sebesar 1051 MW/cm
2
(@ LAC =11 μm).
a Pemblokiran terbalik terukur I-V karakteristik DJ SBD dengan L different yang berbeda AC (b ) RAKTIF,SP dan BV sebagai fungsi dari LAC
Proses etsa sangat penting untuk antarmuka Schottky dan kontak ohmik berkualitas tinggi. Gambar 6a menunjukkan morfologi permukaan parit tersembunyi setelah etsa ICP (@ 5 °C) dan larutan TMAH. Kecepatan etsa sekitar 4,9 nm/menit, dan resep akhir yang dipilih adalah dengan Cl2 4 sccm, daya ICP 50 W, dan daya RF 15 W. Kekasaran akar rata-rata kuadrat (RMS) adalah 0,244 nm dengan area pemindaian 2 × 2 μm
2
.
a Morfologi AFM parit setelah etsa ICP. b Pengaruh kedalaman etsa pada resistansi kontak ohmik dengan uji TLM. c Resistansi kontak sebagai fungsi suhu anil dengan kedalaman parit dari 50 hingga 55 nm. Waktu anil adalah 35 detik
Karena lapisan epitaxial yang disesuaikan mencakup lapisan atas GaN 45 nm dan lapisan AlGaN 45 nm, proses kontak ohmik (untuk 2DEG) berbeda dari SBD konvensional. Tanpa menyembunyikan lapisan penghalang GaN-top dan AlGaN, resistansi kontak yang rendah sulit dicapai dengan anil karena penghalang potensial antara logam ohmik dan 2DEG. Namun, jika penghalang terlalu tersembunyi, pelepasan stres menyebabkan pengurangan konsentrasi 2DEG. Proses ekstra diadopsi untuk mengurangi resistansi kontak ohmik. Permukaan sampel diperlakukan dengan larutan HCl untuk menghilangkan lapisan oksida asli sebelum pengendapan. Selain itu, perawatan permukaan plasma diadopsi (daya ICP 50 W BCl3 10 sccm 3 min) untuk memperkenalkan status donor permukaan [24]. Gambar 6b menunjukkan ketergantungan tahanan kontak pada kedalaman parit. Kedalaman yang dioptimalkan diperoleh dari 50 hingga 55 nm. Suhu tinggi anil termal cepat (RTA) untuk kontak Ti/Al/Ni/Au diselidiki pada Gambar, 6c. Suhu anil adalah dari 840 hingga 890 °C, dan 870 °C menghasilkan resistansi kontak terendah. Annealing pada suhu tinggi, yaitu 870 °C, kondusif untuk pembentukan TiN pada antarmuka Ti/nitrida. Namun, suhu yang lebih tinggi (misalnya, 890 °C) meningkatkan interdifusi Au dan Al, yang tidak menguntungkan untuk pembentukan kontak ohmik yang baik.
Gambar 7a–c menunjukkan plot statistik dari karakteristik statis termasuk VAKTIF , VB , dan BV. Data diekstraksi dari 72 SBD dengan LAC 7, 9, dan 11 μm dibuat dalam 3 proses terpisah. Perangkat menampilkan karakteristik pengaktifan maju yang stabil dan VAKTIF independen dengan LAC , karena VAKTIF terutama ditentukan oleh kontak Schottky. Proses etsa ICP dengan kerusakan rendah, kedalaman parit yang dikontrol dengan tepat, dan antarmuka Schottky berkualitas tinggi berkontribusi pada keseragaman yang sangat baik dari VAKTIF dan VB . Selain itu, dengan peningkatan LAC (dari 7 menjadi 11 μm), ada peningkatan monoton (∼ 100 V/μm) dalam BV yang diamati pada struktur yang diusulkan. Gambar 7d menunjukkan statistik histogram dari VAKTIF untuk 72 perangkat, dan nilai rata-rata adalah 0,68 V dengan penurunan standar kecil 0,02 V.
Plot statistik a tegangan nyala, b tegangan maju, dan c tegangan tembus diekstraksi dari 72 SBD dengan LAC 7, 9, dan 11 m dibuat dalam 3 proses terpisah. d Distribusi VAKTIF untuk 72 perangkat
Ketergantungan suhu dari karakteristik mundur dan maju dinilai pada Gambar 8. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a, peningkatan suhu sekitar dari 300 ke 475 K menghasilkan peningkatan RAKTIF,SP dengan faktor 1,94.
a Arus bocor terbalik dan b karakteristik maju untuk DJ SBD pada suhu yang berbeda
Karakteristik dinamis DJ SBD diukur dengan penganalisis perangkat daya Agilent B1505A. Titik bias diam pulsa anoda diatur menjadi 10 V, 20 V, 30 V, 40 V, 70 V, dan 100 V, dengan lebar pulsa anoda dan periode 0,5 ms/500 ms. Gambar 9b menunjukkan R . dinamis AKTIF,SP sebagai fungsi dari tegangan tegangan. R . yang dinamis AKTIF,SP bahkan pada tegangan tegangan cadangan 100 V hanya 1,18 kali dari tegangan tanpa tegangan balik, yang sebanding dengan Ref. [8]. Peningkatan terbatas dalam R . dinamis AKTIF,SP berkontribusi pada pengurangan keadaan antarmuka. Degradasi dinamis RAKTIF,SP membutuhkan pekerjaan lebih lanjut.
aI-V karakteristik di bawah pengukuran pulsa. b Diekstrak RAKTIF,SP versus basis pulsa anoda dengan lebar/periode pulsa =0,5 ms/500 ms
Gambar 10 menyajikan plot benchmark BV versus RAKTIF,SP untuk dioda daya GaN pada substrat Si/SiC/safir [8, 10, 22, 25,26,27,28,29,30,31]. Perangkat yang diusulkan dengan LAC 11 μm menunjukkan BV 1109 V dengan R . yang sesuai AKTIF,SP dari 1,17 mΩ cm
2
, menghasilkan FOM Baliga yang tinggi sebesar 1051 MW/cm
2
. Nilai ini merupakan hasil terbaik di antara dioda daya GaN lateral pada substrat Si.
Plot tolok ukur BV versus RAKTIF,SP dioda daya GaN pada substrat SiC/safir/Si. Kebocoran terbalik yang digunakan untuk mendefinisikan kerusakan juga diberikan
Kesimpulan
SBD GaN/AlGaN/GaN-on-Si hetero-heterojungsi ganda dengan figur merit yang tinggi dibuat. Proses etsa ICP dengan kerusakan rendah menghasilkan kontak ohmik dan Schottky yang dioptimalkan untuk perangkat yang diusulkan. Oleh karena itu, V . yang rendah AKTIF 0,68 V dengan keseragaman yang baik dan R . yang rendah AKTIF,SP dari 1,17 mΩ cm
2
diperoleh di perangkat dengan LAC dari 11 μm. FOM Baliga tinggi 1051 MW/cm
2
dicapai karena efek polarisasi-persimpangan. Performa tinggi bersama dengan teknologi GaN-on-Si berbiaya rendah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi daya di masa depan.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel ini.
