Ikhtisar tentang Dioda Penghalang Schottky Berbasis Semikonduktor Ga2O3 Ultrawide Bandgap untuk Aplikasi Elektronika Daya
Abstrak
Galium oksida (Ga2 O3 ) adalah bahan semikonduktor baru yang memiliki keunggulan celah pita ultrawide, medan listrik tembus tinggi, dan figure of merit (BFOM) Baliga yang besar, sehingga merupakan kandidat yang menjanjikan untuk perangkat berdaya tinggi generasi berikutnya termasuk Schottky barrier diode (SBD). ). Dalam makalah ini, sifat fisis dasar Ga2 O3 semikonduktor telah dianalisis. Dan investigasi terbaru di Ga2 O3 - SBD berbasis telah ditinjau. Sementara itu, berbagai metode untuk meningkatkan kinerja termasuk tegangan tembus dan resistansi-on telah dirangkum dan dibandingkan. Terakhir, prospek Ga2 O3 -SBD berbasis aplikasi elektronika daya telah dianalisis.
Latar Belakang
Dengan perkembangan pesat tenaga listrik, kontrol industri, elektronik otomotif, dan industri elektronik konsumen, ada permintaan besar untuk perangkat semikonduktor daya berkinerja tinggi. Bahan semikonduktor celah pita lebar dan ultra lebar dapat memenuhi permintaan ini [1, 2]. Di antara lima struktur Ga2 O3 kristal tunggal, monoklinik β -Ga2 O3 adalah yang paling stabil, dan memiliki celah pita ultrawide (Eg ~ 4.8 eV) dan medan listrik tembus sangat tinggi (Ebr ~ 8 MV cm
−1
), dibandingkan dengan Si tradisional dan kemudian mengembangkan bahan SiC dan GaN. Akibatnya, β -Ga2 O3 menunjukkan sosok jasa Baliga yang jauh lebih besar (BFOM =\( \varepsilon \mu {E}_{\mathrm{b}}^3 \); ε adalah konstanta dielektrik relatif, dan μ adalah mobilitas elektron). BFOM merupakan kriteria penting untuk menilai kelayakan bahan untuk aplikasi perangkat listrik [3,4,5,6,7,8,9,10,11]. Tabel 1 membandingkan sifat fisik dasar Si, celah pita lebar (GaN, SiC), dan celah pita ultralebar (β -Ga2 O3 ) bahan semikonduktor. Selanjutnya, untuk pertumbuhan kristal tunggal β -Ga2 O3 substrat, ada metode pertumbuhan lelehan yang mudah, berbiaya rendah, dan dapat diproduksi secara massal pada tekanan atmosfer, seperti zona terapung (FZ) [12, 13] dan pertumbuhan umpan film yang ditentukan tepi (EFG) [14,15 ,16,17]. Ini adalah keunggulan lain dari Ga2 O3 dalam aspek pertumbuhan kristal tunggal berkualitas tinggi, dibandingkan dengan SiC dan GaN. Oleh karena itu, β -Ga2 O3 adalah kandidat yang menjanjikan untuk perangkat semikonduktor daya tinggi generasi berikutnya seperti Schottky barrier diode (SBD) [18,19,20,21,22,23,24] dan transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) [ 25,26,27,28,29]. Perlu dicatat bahwa banyak penelitian tentang Ga2 O3 pertumbuhan material dan fabrikasi perangkat daya dan karakterisasi telah dilakukan dalam beberapa tahun terakhir, sehingga dalam makalah ini, kami meninjau sifat material celah pita ultrawide Ga2 O3 semikonduktor dan investigasi Ga2 O3 -berbasis SBD untuk aplikasi elektronika daya. Di SBD, parameter kinerja yang paling penting adalah tegangan tembus (Vbr ) dan on-resistance (Rpada ), jadi dengan meringkas dan membandingkan berbagai metode untuk meningkatkan Vbr dan Rpada kinerja, kami berharap pekerjaan review kami bermanfaat untuk pengembangan Ga2 O3 perangkat listrik berbasis.
Sifat Fisik Semikonduktor Galium Oksida
Galium oksida (Ga2 O3 ) adalah bahan semikonduktor oksida baru, tetapi memiliki sejarah penelitian yang panjang. Penyelidikan kesetimbangan fase di Al2 O3 -Ga2 O3 -H2 Sistem O dapat ditelusuri kembali ke tahun 1952, dan R. Roy et al. menentukan keberadaan polimorf Ga2 O3 dan hubungan stabilitas mereka [30]. Pada tahun 1965, H. H. Tippins dkk. mempelajari penyerapan optik dan fotokonduktivitas di tepi pita β -Ga2 O3 dan mengkonfirmasi celah pitanya dengan nilai 4,7 eV [6]. Pada tahun 1990-an, sejumlah metode pada pertumbuhan peleburan Ga2 O3 kristal tunggal massal dan pertumbuhan epitaxial dari Ga2 O3 film telah dikembangkan. Dalam 5 tahun terakhir, karena sifat khusus dan keberhasilan pertumbuhan substrat kristal tunggal berukuran besar dan berkualitas tinggi, Ga2 O3 materi telah menarik banyak minat penelitian.
Sampai sekarang, orang telah menemukan lima fase kristal Ga2 O3 , yaitu, α , β , γ , δ , dan ε fase. Hubungan transformasi antara lima fase ini ditunjukkan pada Gambar 1 [30]. Fase monoklinik β- Ga2 O3 memiliki stabilitas termal terbaik, sedangkan empat fase lainnya metastabil dan cenderung berubah menjadi β- Ga2 O3 pada suhu tinggi. Oleh karena itu, saat ini, sebagian besar penelitian berfokus pada β- Ga2 O3 . Beberapa penyelidikan baru-baru ini juga menemukan bahwa fase lain menghadirkan beberapa sifat material khusus yang β fase tidak memiliki. Misalnya, α- Ga2 O3 memiliki struktur kristal korundum yang mirip dengan safir (Al2 O3 ), jadi relatif mudah untuk menumbuhkan kualitas tinggi α- . secara epitaksial Ga2 O3 film kristal tunggal pada Al2 . yang ada saat ini O3 substrat kristal tunggal. Fase heksagonal ε- Ga2 O3 merupakan fase stabil kedua dan memberikan efek polarisasi spontan yang kuat yang bermanfaat untuk membentuk gas elektron 2D densitas tinggi pada antarmuka heterojungsi [31], mirip dengan kondisi pada sambungan AlGaN/GaN. Dalam beberapa tahun terakhir, karena keberhasilan pertumbuhan ukuran besar β- Ga2 O3 substrat kristal tunggal dan stabilitas terbaiknya, hingga saat ini, studi tentang β- Ga2 O3 jauh lebih banyak daripada empat fase lainnya. Jadi, dalam makalah ini, kami terutama meninjau karya penelitian tentang β- Ga2 O3 .
Hubungan transformasi antara fase kristal Ga2O3 dan hidratnya [30]
β- Ga2 O3 milik sistem monoklinik dan termal stabil. Konstanta kisinya adalah a = 1.22 nm, b = 0,30 nm, dan c = 0,58 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Struktur kristal β- Ga2 O3 menentukan bahwa ia memiliki konduktivitas tertentu, tetapi dibatasi oleh celah pita ultralebar (4,7–4,9 eV), yang terluas dari semua bahan semikonduktor transparan yang diketahui. Hanya jika beberapa tingkat energi cacat ada di celah pita dan elektron bebas dihasilkan, bahan tersebut memiliki konduktivitas yang relatif kuat. Untuk sebagian besar semikonduktor celah pita lebar, konduktivitas terbentuk hanya karena adanya tingkat cacat pada celah pita, seperti semikonduktor ZnO [32]. Konduksi listrik intrinsik β- Ga2 O3 berasal dari elektron bebas yang dipimpin oleh cacat titik yang terbentuk di sebagian besar kristal. Sebagian besar penelitian telah menunjukkan bahwa kekosongan oksigen adalah cacat utama untuk konduksi listrik [33,34,35].
Struktur kisi -Ga2 O3 kristal. Dicetak ulang dari ref. [5]
Sangat menarik bahwa karena adanya banyak kekosongan oksigen di polikristalin β- Ga2 O3 , mudah untuk menyerap beberapa jenis gas untuk mengubah resistivitas, jadi ada banyak laporan tentang penggunaan β- Ga2 O3 untuk membuat sensor gas untuk mendeteksi H2 , CH4 , CO, dan O2 [36,37,38,39]. Selain itu, karena konstanta kisi β- Ga2 O3 di [100] arah jauh lebih besar daripada di [001] dan [010] arah, mudah untuk mengelupas film ultrathin sepanjang [100] arah untuk fabrikasi perangkat [27, 40,41,42,43]. Pada saat yang sama, karena karakteristik struktur kristal ini, dalam pembuatan β- Ga2 O3 wafer, memotong sebagian besar sepanjang arah [100] dapat memperoleh permukaan yang rata dengan kekasaran yang sangat rendah.
Dibandingkan dengan SiC dan GaN, β- Ga2 O3 memiliki karakteristik listrik tertentu, di antaranya celah pita ultrawide (4,7–4,9 eV) adalah yang paling menonjol. Ini membuatnya memiliki medan listrik gangguan kritis yang sangat tinggi (Ebr 8 MV/cm), sekitar dua kali lipat dari SiC dan GaN. Kerusakan medan listrik material merupakan parameter yang sangat penting untuk perangkat daya unipolar. Jika suatu bahan memiliki E yang lebih tinggi br , dalam material dengan ketebalan satuan, medan listrik yang lebih tinggi dapat dipertahankan, yang menguntungkan untuk pengurangan ukuran perangkat dan peningkatan tingkat integrasi modul daya. Gambar 3 menunjukkan batas dasar resistensi (Rpada ) sebagai fungsi dari tegangan tembus (Vbr ) untuk beberapa semikonduktor penting termasuk Si, GaAs, SiC, GaN, Ga2 O3 , dan berlian [5]. Dari gambar ini, kita dapat menemukan bahwa kehilangan konduksi Ga2 O3 perangkat satu urutan besarnya lebih rendah daripada perangkat SiC dan GaN pada saat yang sama Vbr . Jadi, Ga2 O3 menunjukkan potensi besar dalam perangkat unipolar. Sebagai mobilitas elektron saturasi β- Ga2 O3 relatif rendah (~ 200 cm
2
V− 1
s− 1
), β- Ga2 O3 tidak cocok untuk perangkat frekuensi tinggi dibandingkan dengan GaN. Namun, celah pita lebarnya dapat mengkompensasi kerugian ini karena lapisan drift yang lebih tipis memiliki lebar deplesi yang lebih kecil; dengan demikian, kapasitansi parasit dapat diturunkan untuk memenuhi persyaratan aplikasi frekuensi tinggi. Selain itu, celah pita sekitar 4,8 eV membuat Ga2 O3 memiliki pita gelombang serapan khusus (250–280 nm) yang hanya terletak di kisaran sinar ultraviolet (UV) buta, sehingga Ga2 O3 adalah bahan alami yang bagus untuk membuat detektor UV [44,45,46,47].
Batas teoretis dari resistansi (Rpada ) sebagai fungsi dari tegangan tembus (Vbr ) untuk -Ga2 O3 dan semikonduktor representatif. Dicetak ulang dari ref. [26]
Dalam beberapa tahun terakhir, doping tipe-n β- Ga2 O3 pada dasarnya telah direalisasikan. Unsur Si dan Sn, sebagai pengotor donornya dengan tingkat energi yang dangkal, memiliki energi aktivasi yang rendah. Konsentrasi doping dapat dimodulasi dengan baik untuk berada di kisaran 10
15
–10
19
cm
−3
[47], dengan nilai tertinggi 10
20
cm
−3
tercapai. Pada saat yang sama, dengan perubahan konsentrasi doping, sifat optik dan listrik juga akan berubah. Misalnya, resistivitas tipe-n β- Ga2 O3 perubahan dalam kisaran 10
−3
10
12
cm dengan perubahan konsentrasi doping [48, 49]. Celah pita juga berubah dengan konsentrasi doping yang berbeda, sehingga karakteristik penyerapan cahaya dari Ga2 O3 dipengaruhi [50].
Dari pengembangan Ga2 O3 , bahan ini masih memiliki beberapa kekurangan sebagai berikut. (1) Doping tipe-P adalah tantangan besar bagi Ga2 O3 bahan. Karena tingkat akseptor jauh dari pita valensi β- Ga2 O3 , energi aktivasi pengotor akseptor sangat tinggi. Sementara itu, pengotor latar belakang tipe-n di Ga2 O3 kristal juga akan menghasilkan efek kompensasi diri pada pengotor akseptor, yang mengakibatkan bahan isolasi diri. Oleh karena itu, masih belum ada tindakan tipe-p yang efektif. (2) Konduktivitas termal Ga2 O3 terlalu rendah. Penyelidikan eksperimental dan teoretis telah membuktikan bahwa konduktivitas termal β- Ga2 O3 hanya 0,1–0,3 L cm
−1
K
−1
[51,52,53]. Hal ini merugikan perangkat listrik yang digunakan dalam keadaan tegangan tinggi dan arus tinggi. Akumulasi panas yang berlebihan akan sangat mempengaruhi kinerja dan keandalan perangkat. (3) Mobilitas pembawa rendah. Mobilitas teoritis Ga2 O3 dibatasi hingga sekitar 200 cm
2
/V s karena pengaruh hamburan [54]. Mobilitas rendah berdampak negatif pada frekuensi dan karakteristik arus.
Konsep Dasar Dioda Penghalang Schottky
Kontak Schottky, kontak ohmik, dan distribusi medan listrik adalah faktor kunci dalam SBD untuk mencapai kinerja tinggi termasuk on-resistance (Rpada ) dan tegangan tembus (Vbr ), jadi berbagai metode untuk meningkatkannya sangat penting.
Menurut konsep penghalang Schottky, tinggi penghalang terkait dengan fungsi kerja logam Schottky dan afinitas elektron semikonduktor. Fungsi kerja logam yang berbeda berubah secara berkala, dan logam perlu memiliki fungsi kerja yang lebih besar daripada semikonduktor untuk membentuk penghalang Schottky. Nikel (Ni) dan platinum (Pt) adalah logam Schottky yang umum untuk β- Ga2 O3 , dan ketinggian penghalangnya diturunkan dengan berbagai metode [55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74 ,75,76,77]. Daerah penipisan di bawah permukaan semikonduktor membutuhkan ketebalan yang diperlukan untuk mencegah terowongan pembawa, dan ini membutuhkan konsentrasi doping semikonduktor yang terbatas. Nilai umum konsentrasi doping adalah 10
16
–10
17
cm
−3
di β- Ga2 O3 substrat atau lapisan epitaksi [56,57,58,59,60,61,62]. Ketinggian penghalang sebenarnya dipengaruhi oleh status antarmuka dan menyimpang dari hubungan sederhana dengan fungsi kerja. Pra-perawatan permukaan bertujuan untuk mengurangi keadaan antarmuka, termasuk kekosongan oksigen dekat permukaan dan ikatan yang menggantung [78].
Kontak ohmik adalah hubungan dasar antara logam dan semikonduktor. Resistansi kontak ohmik spesifik rendah berguna untuk perangkat untuk mengurangi resistansi kontak (Rs ) dan on-resistance (Rpada ). Metode tradisional untuk mencapai resistansi kontak rendah adalah memilih logam dengan fungsi kerja rendah dan doping berat. Faktanya, fungsi kerja logam kontak selalu tidak berpengaruh untuk pembentukan kontak ohmik karena penyematan status antarmuka. Doping semikonduktor yang berat menjadi teknik utama untuk kontak ohmik. Target utama adalah meningkatkan konsentrasi pembawa dan menurunkan penghalang antarmuka. RTA (rapid thermal annealing) meningkatkan karakteristik antarmuka dan redounds untuk mengurangi resistansi kontak. Y.Yao dkk. menguji sembilan logam sebagai logam kontak ohmik ke β- Ga2 O3 dan menemukan bahwa titanium (Ti) dan indium (In) menunjukkan perilaku ohmik yang baik dalam kondisi tertentu [79]. Setelah anil dalam suhu tinggi, hanya titanium yang dapat mempertahankan morfologi kontinu. Serupa dengan ini, sebagian besar penelitian menerapkan titanium sebagai logam kontak ohmik dengan β- Ga2 O3 dan memperoleh kinerja perangkat yang baik [60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70].
Perilaku breakdown terkait dengan distribusi medan listrik di dalam perangkat, dan persimpangan silindris dan persimpangan bola memiliki medan listrik yang lebih besar daripada persimpangan bidang paralel dalam kondisi yang sama [1]. Oleh karena itu, diperlukan beberapa metode proteksi terminasi tepi seperti pelat medan untuk meningkatkan tegangan tembus [19, 23, 68]. Keadaan antarmuka yang disebut sebagai muatan antarmuka biasanya berdampak pada medan listrik yang dekat dengan permukaan semikonduktor dan menyebabkan kerusakan dini. Arus bocor adalah indikator perilaku kerusakan dan umumnya dipengaruhi oleh cacat internal semikonduktor, termasuk dislokasi. Kedua situasi menyebabkan ketidakstabilan perangkat dan dapat menurunkan tegangan tembus yang harus dihindari. Praktik umum untuk mengurangi dampak status antarmuka adalah pasif permukaan, dan substrat berkualitas tinggi juga diperlukan untuk meningkatkan tegangan tembus.
Dioda Penghalang Schottky Berdasarkan β- Ga2 O3
Kesulitan dalam pertumbuhan substrat kristal tunggal berkualitas tinggi dan murah telah mempengaruhi komersialisasi perangkat SiC dan GaN. Sedangkan Ga2 O3 substrat kristal tunggal dapat ditanam dengan metode peleburan berbiaya rendah, perangkat listrik berdasarkan Ga2 O3 kristal tunggal telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir. Saat ini, teknologi doping tipe-n dari Ga2 O3 cukup dewasa, tetapi kurangnya doping tipe-p membuat Ga2 O3 tidak dapat diterapkan ke perangkat bipolar. Celah pita yang sangat besar menjadikannya keuntungan besar dalam penerapan perangkat unipolar. Oleh karena itu, pengembangan Ga2 O3 perangkat listrik didominasi oleh dua jenis perangkat unipolar, yaitu dioda penghalang Schottky (SBD) dan transistor efek medan semikonduktor-oksida logam (MOSFET) [23, 55, 56].
Dengan perkembangan teknologi material semikonduktor wide bandgap (WBG), perangkat SBD berbasis semikonduktor WBG mulai menggantikan dioda p-n junction untuk diterapkan ke dalam sistem elektronika daya karena tidak ada efek penyimpanan pembawa minoritas di SBD dan rugi-rugi switching-nya cukup rendah. Secara teori, dibandingkan dengan SiC dan GaN SBD, Ga2 O3 SBD dapat mencapai tegangan tembus yang sama dengan lapisan drift yang jauh lebih tipis. Pada saat yang sama, lapisan hanyut yang lebih tipis membuat kapasitansi parasit lebih rendah, memperpendek waktu pemulihan terbalik perangkat. Kemajuan pengembangan utama Ga2 O3 SBD ditunjukkan pada Gambar 4. Dengan perkembangan teknologi epitaksi, struktur SBD telah berkembang dari struktur sederhana berbasis substrat awal menjadi struktur kompleks berbasis substrat dan film epitaksi. Selanjutnya, melalui eksplorasi bertahap pada proses fabrikasi perangkat, struktur terminal canggih termasuk pelat dan parit yang diajukan telah muncul, yang semakin meningkatkan kinerja perangkat. Ga2 O3 SBD mulai menunjukkan potensinya dalam aplikasi elektronika daya.
Pengembangan Ga2 O3 SBD dalam beberapa tahun terakhir [16, 18, 62, 68–71]
Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar baru, orang menghadapi banyak masalah dasar dalam tahap pengembangan awal Ga2 O3 , jadi progres pembangunan Ga2 O3 SBD mencerminkan evolusi kekuatan SBD dengan sangat baik. Bagian terpenting di SBD adalah persimpangan Schottky, jadi pada penelitian awal bekerja pada Ga2 O3 SBD, ada sejumlah besar yang berfokus pada studi di persimpangan Schottky, terutama termasuk kontak antara Ga2 O3 dan elektroda Schottky yang berbeda (Ni、Cu、Au、Pt、TiN) [57,58,59], mekanisme transpor elektron persimpangan Schottky, masalah status antarmuka, ketidakhomogenan penghalang dan gaya gambar yang ada dalam kontak Schottky, dan metode bagaimana memperoleh kontak ohmik sempurna di antarmuka katoda [60, 61].
Dengan ketajaman bertahap dari sifat fisik dan peningkatan proses fabrikasi yang semakin meningkat, kinerja perangkat semakin ditingkatkan. Berikut ini adalah beberapa karya khas dalam pengembangan Ga2 O3 SBD.
Pada tahun 2013, K. Sasaki dkk. di Tamura Corporation membuat SBD berdasarkan kualitas tinggi (010) β –Ga2 O3 substrat kristal tunggal yang ditumbuhkan dengan metode floating zone [62]. Mereka menyelidiki dampak dari konsentrasi doping yang berbeda dalam substrat pada kinerja perangkat dan menemukan bahwa konsentrasi doping yang lebih tinggi menginduksi resistansi yang lebih rendah tetapi tegangan tembus balik yang lebih rendah dan arus bocor balik yang lebih besar. Gambar 5 menunjukkan karakteristik kerusakan terbalik dari dua SBD yang dibuat dengan (010) β –Ga2 O3 substrat dengan konsentrasi doping yang berbeda. Tegangan tembus mencapai 150 V. Faktor idealitas kedua perangkat mendekati 1. Dan ketinggian penghalang Schottky dari Pt/β –Ga2 O3 antarmuka diperkirakan 1,3–1,5 eV.
a , b Maju dan mundur karakteristik listrik SBD berdasarkan (010) β -Ga2 O3 substrat dengan konsentrasi doping yang berbeda. Batas bawah pengukuran kerapatan arus adalah 10
-8
A/cm
2
. Dicetak ulang dari ref. [62]
Para peneliti dari Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences (IMECAS) dan Universitas Shandong telah berkolaborasi untuk menyelidiki SBD berdasarkan (100) berorientasi β –Ga2 O3 substrat massal. Pada tahun 2017, mereka melaporkan Pt/β –Ga2 O3 SBD dan karakteristik listriknya yang bergantung pada suhu. Analisis difraksi sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) menunjukkan bahwa β –Ga2 O3 kristal tunggal massal yang ditumbuhkan dengan teknik edge-defined film-fed growth (EFG) menyajikan orientasi (100) yang baik dan kualitas kristal yang baik (Gbr. 6a, b). Melalui pengukuran I–V dan pemodelan emisi termionik, Pt/β . yang dibuat –Ga2 O3 Perangkat SBD menunjukkan kinerja yang baik, termasuk rasio perbaikan 10
10
, faktor idealitas (n ) dari 1.1, ketinggian penghalang Schottky (ΦB ) sebesar 1,39 eV, tegangan ambang (Vdua ) sebesar 1,07 V, pada resistansi (Rpada ) dari 12,5 mΩ cm
2
, rapat arus maju pada 2 V (J@2V ) dari 56 A/cm
2
, dan konsentrasi donor yang efektif (NdTa ) dari 2,3 × 10
14
cm
−3
(Gbr. 6c, d). Kinerja yang bergantung pada suhu yang baik juga ditemukan di perangkat (Gbr. 6e, f). Dengan peningkatan suhu, Rpada dan J@2V menjadi lebih baik, menunjukkan bahwa perangkat dapat bekerja dengan baik pada suhu tinggi. Dalam pekerjaan mereka selanjutnya, mereka menyelidiki lebih lanjut ketergantungan suhu dari faktor idealitas dan tinggi penghalang Schottky dan menemukan bahwa karakteristik suhu semacam ini dapat dijelaskan oleh distribusi Gaussian dari ketidakhomogenan ketinggian penghalang [61]. Pada tahun 2018, mereka lebih mengoptimalkan parameter pertumbuhan kristal dan meningkatkan konsentrasi doping Sn (NdTa = 2.3 × 10
14
cm
−3
). Pt/β . yang baru –Ga2 O3 Perangkat SBD menunjukkan peningkatan kinerja yang nyata, termasuk kepadatan arus maju (J@2V = 421 A/cm
2
), resistansi ON-state (Rpada = 2,9 mΩ cm
2
), waktu pemulihan mundur yang singkat (20 ns), dan tegangan tembus mundur lebih tinggi dari 200 V [63]. Pekerjaan mereka menunjukkan bahwa EFG tumbuh β –Ga2 O3 kristal tunggal menjanjikan untuk aplikasi perangkat listrik.
a Kurva difraksi sinar-X (XRD) dari (100) β -Ga2 O3 substrat kristal tunggal, dengan jelas menunjukkan puncak bidang (400), (600), dan (800). b Gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) cross-sectional dari Pt/β -Ga2 O3 Kontak Schottky dan mikrograf transformasi Fourier cepat (FFT) dari β -Ga2 O3 kristal. c Maju dan mundur kurva J–V dari Pt/β -Ga2 O3 SBD dan skema SBD (inset). d Kurva J–V maju dalam plot linier dan semi-logaritmik. e Kurva J–V yang bergantung pada suhu dan plot Richardson (inset). f Ketergantungan resistansi ON dan kerapatan arus maju pada suhu. Dicetak ulang dari ref. [60]
Q.Feng dkk. dari Universitas Xidian telah mempelajari proses persiapan deposisi laser berdenyut (PLD) dan sifat fisik dasar dari β yang didoping Al –Ga2 O3 film [64,65,66]. Doping Al mampu menyetel celah pita β –Ga2 O3 dengan menggabungkan rasio atom Al yang berbeda. Berdasarkan jenis film Al-doped ini, Ni/β -(AlGa)2 O3 Perangkat SBD dibuat dan dikarakterisasi. Tinggi penghalang Schottky adalah 1,33 eV. Rasio on-off dan on-resistance saat ini mencapai 10
11
dan 2,1 mΩ cm
2
, masing-masing [65]. Mereka juga mempelajari pengaruh suhu pada faktor idealitas dan ketinggian penghalang Schottky dan juga mendapatkan kesimpulan bahwa karakteristik ketergantungan suhu ini n dan ΦB dikaitkan dengan ketidakhomogenan penghalang Schottky dengan mengasumsikan keberadaan distribusi Gaussian dari ketinggian penghalang [66].
Dengan perkembangan teknologi epitaksi film, epitaksi fase uap halida (HVPE) digunakan untuk menumbuhkan Ga2 O3 film. Karena keunggulan kecepatan epitaksi yang cepat dan kualitas film yang tinggi, Ga2 yang ditumbuhkan oleh HVPE O3 sangat cocok untuk fabrikasi lapisan drift dari SBD tegangan tinggi. Pada tahun 2015, M. Higashiwaki dkk. di Institut Teknologi Informasi dan Komunikasi Nasional (NICT) tumbuh dengan doping ringan setebal 7μm (~ 1 × 10
16
cm
−3
) lapisan epitaxial pada doping berat (NdTa = 2,5 × 10
18
cm
−3
) (001) β- Ga2 O3 substrat melalui metode HVPE dan perangkat SBD fabrikasi lebih lanjut. Karakteristik C-V dan I-V perangkat pada suhu yang berbeda diselidiki. Tren perubahan ketinggian penghalang Schottky, tegangan ambang, kurva C–V dan I–V dengan suhu ditunjukkan. Gambar 7 menunjukkan struktur perangkat dan kurva J–V–T maju dan mundur [16]. Ditemukan bahwa pada 21–200 °C, ketinggian penghalang hampir konstan. Arus maju dan mundur sesuai dengan model emisi termionik (TE) dan emisi medan termionik (TFE), masing-masing. Hasil mereka menunjukkan potensi penerapan Ga2 O3 SBD di perangkat listrik generasi berikutnya.
a Struktur perangkat SBD berdasarkan n
−
yang ditumbuhkan dengan HVPE setebal 7μm - Ga2 O3 lapisan penyimpangan homoepitaxial pada n
+- Ga2 O3 substrat kristal tunggal. b Karakteristik J–V maju dari perangkat yang diukur pada 21–200 °C. c Membalikkan J–V pada 21–200 °C (garis putus-putus dan solid masing-masing mewakili hasil eksperimen dan simulasi). Dicetak ulang dari ref. [16]
Pada tahun 2016, M. Oda dkk. di FLOSFIA Inc. menerbitkan sebuah karya tentang α -Ga2 O3 SBD [18]. Melalui teknik deposisi uap kimia kabut (CVD), yaitu, MIST EPITAXY®, mereka tumbuh secara berturut-turut (tebal 3–4 μm) dan didoping ringan α -Ga2 O3 film tentang safir (Al2 O3 ) substrat. Setelah mengangkat α -Ga2 O3 lapisan dari substrat, katoda dan anoda diendapkan pada permukaan bawah dan atas n
−- Ga2 O3 /n
+- Ga2 O3 lapisan, masing-masing (Gbr. 8). Perangkat dengan n
−
. setebal 2580 nm - Ga2 O3 lapisan menunjukkan tegangan tembus tinggi 855 V dan resistansi aktif 0,4 mΩ cm
2
. Sedangkan perangkat yang lebih tipis (430 nm) n
−- Ga2 O3 SBD lapisan menunjukkan resistansi yang sangat rendah sebesar 0,1 mΩ cm
2
dan tegangan tembus 531 V. Pada tahun 2018, mereka melaporkan lebih lanjut perangkat semacam ini dilakukan dengan paket TO220 [67]. Didapatkan kapasitansi sambungan sebesar 130 pF, sehingga perangkat menunjukkan karakteristik pemulihan balik yang lebih baik dibandingkan dengan SiC SBD dan Si SBD. Pada saat yang sama, setelah paket, perangkat menunjukkan ketahanan termal 13,9 °C/W, sebanding dengan SiC SBD dengan paket yang sama (12,5 °C/W), menunjukkan bahwa mengadopsi lapisan drift tipis dapat secara efektif mengkompensasi kerugian dari konduktivitas termal yang buruk dari Ga2 O3 bahan. Dalam laporan ini penulis juga menunjukkan bahwa α -(Rh,Ga)2 O3 dapat bertindak sebagai lapisan saluran tipe-p yang efektif dari α -Ga2 O3 perangkat.
Proses fabrikasi α -Ga2 O3 SBD diusulkan oleh FLOSFIA Inc. Dicetak ulang dari ref. [18, 67]
Pada tahun 2017, K. Konishi dkk. di NICT melaporkan Pt/HVPE-n
−- Ga2 O3 /(001)n
+- Ga2 O3 Perangkat SBD dengan tegangan tembus 1076 V dan resistansi aktif 5,1 mΩ cm
2
(Gbr. 9) [68]. Rekayasa pelat lapangan (FP), semacam teknologi pemutusan tepi, pertama kali digunakan pada Ga2 O3 SBD. Dengan menambahkan anoda terhubung SiO2 FP, medan listrik maksimum di seluruh struktur perangkat dijaga di bawah medan kritis, terutama medan listrik di sekitar anoda dapat dikurangi dengan jelas. Dengan menggunakan metode ini, tegangan tembus tinggi dan resistansi rendah dapat dicapai. Pada tahun yang sama, tegangan tembus yang lebih tinggi (1600 V) dilaporkan oleh J. Yang, et al. dari University of Florida di perangkat SBD mereka dengan Ni/MOCVD-n
−- Ga2 O3 /(− 201) n
+- Ga2 O3 struktur [69], tetapi resistansinya sangat besar (25 mΩ cm
2
). Tidak ada penghentian tepi yang digunakan. Penyelidikan mereka menunjukkan bahwa ukuran elektroda Schottky memiliki pengaruh pada tegangan tembus dan resistansi karena elektroda yang lebih besar akan memiliki lebih banyak cacat dan menyebabkan kerusakan lebih mudah.
a Struktur SBD dengan pelat lapangan. b , c Karakteristik kelistrikan maju dan mundur (Vbr = 1076 V). Dicetak ulang dari ref. [68]
Pada tahun 2017, K. Sasaki dkk. from Novel Crystal Technology Inc. first fabricated β -Ga2 O3 SBD with trench termination structure (Fig. 10) [70]. By adopting this kind of structure, the electric field in the Schottky junction can be effectively decreased; thus, the leakage current can be greatly reduced while the forward properties are well maintained. The on-resistance of the device was 2.9 mΩ cm
2
, and the breakdown voltage reached about 240 V. At the same time, the threshold voltage was remarkably reduced compared with the previous reports. This work is a valuable exploration on the advanced fabrication process of Ga2 O3 SBD. In the 2nd International Workshop on Gallium Oxide and Related Materials (IWGO 2017) held in Italy, they further reported the improved trench SBD. The threshold voltage decreased to 0.5 V. On-resistance was 2.4 mΩ cm
2
, and breakdown voltage was over 400 V. Compared to the commercialized 600 V SiC SBD, the improved trench Ga2 O3 SBD exhibited superiority in switching loss.
a Fabrication processes of the MOS-type Ga2 O3 SBD with trench termination structure. b Comparison of the reverse characteristics of the Ga2 O3 SBDs with and without trenches. Reprinted from ref. [70]
To date, there has been no effective p-type doping in Ga2 O3 , so bipolar devices are not easy to be realized. In 2017, T. Watahiki et al. from Mitsubishi Electric Corporation reported a heterojunction p-Cu2 O/n-Ga2 O3 p-n diode without local termination structure [71]. Figure 11 shows the schematic, band diagram and J–V curves of this p-n diode. Pt/Ga2 O3 SBD was simultaneously fabricated and measured for comparison. The breakdown voltage of the p-n diode reached as high as 1.49 kV. The on-resistance was 8.2 mΩ cm
2
, much lower than that of the SBD with a thick drift layer reported by J. Yang et al. [69]. So, it can be found that bipolar Ga2 O3 device has a certain advantage over unipolar device in regard to the low on-resistance. This work provides a possible solution for the design Ga2 O3 -based bipolar devices. However, this p-n diode exhibited a high threshold voltage (1.7 V). Moreover, in bipolar device, there is the minority carrier storage effect. With the improvement of SBD device structure, this p-n diode appears to show significant competitivity in the aspect of 600–1200 V voltage-resistant level and high frequency. It is believed that with the continuous exploration on the materials, SBD might still be a more effective approach for development of the high-voltage Ga2 O3 device before the successful preparation of p-type Ga2 O3 .
a Schematic of the cross-sectional Pt/Ga2 O3 SBD and p-Cu2 O/n-Ga2 O3 diode. b Band diagram of the p-Cu2 O/n-Ga2 O3 interface. c , d Forward and reverse J–V characteristics of the SBD and p-n diode. Reprinted from ref. [71]
In practical applications, SBD is usually used to rectify the AC or pulse signals as a rectifier in a circuit. It should work at different frequencies. Q. He et al. from IMECAS investigated the rectification characteristics of the Pt/Ga2 O3 SBD under the AC frequency under 10 kHz to 1 MHz by using a half-wave rectification circuit (Fig. 12) [63]. The testing result proves that the device has the ideal working frequency of 100 kHz, which is equivalent to that of SiC. This work is beneficial for people to further explore how Ga2 O3 Schottky rectifier can operate at higher frequency and also to construct power circuit modules based on Ga2 O3 SBD single device.
a Rectification circuit. b –e Rectifying effect of Pt/Ga2 O3 SBD on the AC signals under frequency of 10 kHz, 100 kHz, 500 kHz, and 1 MHz. Reprinted from ref. [63]
Table 2 lists and compares the basic performance parameters of some typical Ga2 O3 Schottky barrier diode reported since 2012. From this table, it is apparent that with the improvement of device structure and fabrication processes, the performances are getting better and better.
Conclusions
Currently, Ga2 O3 SBD is still in its early stage. With the continuous development of fabrication processes, device structure becomes more and more complicated. At the same time, the improvement of the quality of single-crystal substrates and epitaxial films also significantly push forward device performances. However, to date, the development process of Ga2 O3 SBD is very similar to those of previous Si SBD and SiC SBD. Furthermore, the research works on the intrinsic properties of Ga2 O3 materials are still very few. But it is believed that on the basis of its ultrawide bandgap of 4.7–4.9 eV and the development of device structure, Ga2 O3 will better display its unique application value, which requires the joint efforts of the researchers.
Singkatan
AC:
Alternating current
BFOM:
Baliga’s figure of merit
CVD:
Deposisi uap kimia
EFG:
Edge-defined film-fed growth
FFT:
Fast Fourier transform
FP:
Field plat
FZ:
Floating zone
HRTEM:
Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi
HVPE:
Halide vapor-phase epitaxy
IMECAS:
Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences
MOCVD:
Deposisi uap kimia logam-organik
MOSFET:
Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
NICT:
National Institute of Information and Communications Technology
