Pemulihan Balik Cepat pada Dioda Hambatan Schottky GaN Vertikal Doped Ge
Abstrak
Dioda hambatan Schottky (SBD) GaN vertikal yang ditumbuhkan pada substrat GaN bebas mandiri doped Ge menunjukkan kualitas kristal dan performa listrik yang unggul. Pemeriksaan catodoluminesensi mengungkapkan kepadatan dislokasi seragam sekitar 1,3×10^6 cm^−2. Perangkat menunjukkan tegangan aktif rendah Von sebesar 0,70–0,78 V dan rasio Ion/Ioff berkisar dari 9,9×10^7 hingga 1,3×10^10. Pengukuran pemulihan balik menghasilkan waktu 15,8–24,5 ns untuk diameter 100–500 µm, dengan waktu pemulihan dan muatan yang berkaitan positif dengan luas elektroda.
Pendahuluan
Semikonduktor jarak band luas, khususnya GaN, telah menjadi kunci untuk elektronika frekuensi tinggi, daya tinggi, dan performa tinggi generasi mendatang [1]–[6]. Kemajuan terbaru dalam epitaksi fasa uap hidride (HVPE) sekarang memungkinkan pertumbuhan komersial substrat GaN dengan dislokasi rendah (≤10^6 cm^−2) [7]–[10]. Arsitektur perangkat vertikal yang dibangun pada substrat ini menawarkan densitas arus yang lebih besar, jalur kebocoran yang dikurangi, dan keandalan yang ditingkatkan dibandingkan dengan desain lateral [11], [12].
Dioda hambatan Schottky berbasis GaN adalah komponen penting dalam sirkuit switching daya. Sifat unipolarnya menghilangkan penyimpanan pembawa minoritas, menghasilkan kecepatan switching tinggi dan kerugian pemulihan balik rendah [13]–[17]. Namun, studi sistematis tentang perilaku pemulihan balik dalam SBD GaN vertikal masih jarang. Karya ini mengatasi kesenjangan itu dengan memproduksi SBD vertikal doped GaN bebas mandiri dan mengevaluasi secara ketat performa pemulihan baliknya.
Ge adalah dopan tipe n yang menarik untuk GaN, menawarkan aktivasi dangkal (≈20 meV) yang dapat dibandingkan dengan Si sambil menginduksi distorsi jaring yang lebih rendah karena radius ionnya [19]–[20]. Doping Ge dilaporkan menghasilkan permukaan yang lebih halus dan kepadatan defek yang lebih rendah [21], [22], dan meningkatkan stabilitas termal, yang merupakan persyaratan kunci untuk perangkat suhu tinggi. Di sini, kami menyajikan investigasi sistematis pertama tentang karakteristik pemulihan balik dalam SBD GaN vertikal doped Ge.
Metode dan Eksperimen
Arsitektur perangkat diilustrasikan dalam Gambar 1a: substrat n+GaN bebas mandiri tebal 390 µm dilapisi oleh lapisan drift n−GaN tebal 9 µm. Substrat, yang ditumbuhkan oleh HVPE, mengandung 1×10^18 cm^−3 Ge dan menunjukkan kepadatan dislokasi 1×10^6 cm^−2 [7]. Lapisan epitaksi ditambahkan oleh deposisi uap kimia organik logam pada sekitar 2 µm h^−1.
Pembuatan perangkat melibatkan kontak ohmik Ti/Al/Ni/Au pada permukaan belakang dan elektroda Schottky Ni/Au pada depan, dengan diameter 100, 200, 300, 400, dan 500 µm (Gambar 1b). Detail proses lengkap tersedia dalam laporan kami sebelumnya [23], [24].
a Potongan skematik vertikal SBD. b Citra mikroskopi optik dari lima diameter elektroda. c Citra CL panchromatik dari lapisan epitaksi.
Pemeriksaan CL dilakukan dengan SEM Quanta 400 FEG pada 10 kV untuk memetakan distribusi dislokasi. Pengukuran kapasitansi-tegangan (C-V) dan arus-tegangan (I-V) menggunakan analyzer Keithley 4200. Uji bergantung suhu dilakukan pada 300–500 K menggunakan pengaturan khusus.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1c menunjukkan peta CL lapisan epitaksi. Titik gelap menunjukkan pusat dislokasi non-radiatif; distribusi yang seragam menghasilkan kepadatan rata-rata sekitar 1,3×10^6 cm^−2, mengonfirmasi pertumbuhan kristal berkualitas tinggi.
Kurva C-V dan G-V dicatat pada 1 MHz (Gambar 2a–b). Dari plot 1/C^2–V, konsentrasi donatur Nd adalah sekitar 6,2×10^15 cm^−3. Fase sudut θ, yang dihitung melalui tan^−1(2πfC/G), tetap sekitar 90°, yang menunjukkan kebocoran minimal melalui hambatan Schottky (Gambar 2b inset).
Karakteristik J-V (Gambar 2c) mengungkapkan rasio Ion/Ioff berkisar dari 9,9×10^7 hingga 1,3×10^10 dan nilai Von antara 0,70 dan 0,78 V di semua diameter, menunjukkan performa elektronik yang unggul.
a Kurva C-V suhu ruang untuk setiap ukuran elektroda. b Kurva G-V dengan θ versus V inset untuk perangkat 300-µm. c Kurva J-V untuk semua diameter.
Perilaku pemulihan balik diukur menggunakan rangkaian uji dalam Gambar 3a. Tegangan persegi (+20 V ke –20 V) mendorong perangkat; arus transien ditangkap oleh sondes kecepatan tinggi pada osiloskop Tektronix MDO 4104-3. Gelombang pemulihan balik (Gambar 3b) mendefinisikan waktu penyimpanan ta, penundaan arus balik tb, dan waktu pemulihan Trr (waktu hingga 10% dari arus balik puncak). Muatan pemulihan balik Qrr diperoleh dengan mengintegrasikan arus balik hingga Trr.
a Rangkaian uji untuk pengukuran pemulihan balik. b Skema gelombang pemulihan balik.
Gambar 4 menampilkan arus pemulihan balik untuk semua diameter elektroda. Nilai Trr adalah 15,8, 16,2, 18,1, 21,22, dan 24,5 ns untuk perangkat 100, 200, 300, 400, dan 500 µm, masing-masing. Nilai Qrr yang sesuai adalah 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280, dan 0,405 nC. Semua perangkat mencapai waktu pemulihan di bawah 25 ns, dan perangkat terkecil menunjukkan pemulihan paling cepat. Keduanya Trr dan Qrr meningkat dengan luas elektroda.
Arus pemulihan balik untuk setiap diameter elektroda.
Untuk menguji ketergantungan tegangan, kami mengulangi pengukuran dengan ±10 V. Trr tetap pada dasarnya tidak berubah, sementara Qrr terus berekstensi dengan kuadrat diameter (yaitu, luas elektroda) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.
Waktu pemulihan balik Trr versus diameter elektroda d.
Muatan pemulihan balik Qrr versus diameter elektroda d.
Mekanisme dominan di balik perilaku yang diamati adalah penyimpanan yang dianiaya jebakan, bukan induktansi parasit. Distribusi jebakan yang seragam menghasilkan Qrr yang proporsional dengan luas kontak. Akibatnya, konstanta waktu RC bertambah dengan diameter perangkat, yang menjelaskan kenaikan linier Trr. Pengurangan ukuran elektroda atau ketebalan lapisan drift seharusnya meningkatkan performa pemulihan lebih lanjut, seperti yang dikonfirmasi oleh pekerjaan kami sebelumnya [29].
Ketergantungan suhu dievaluasi untuk perangkat 500-µm (Gambar 7). Waktu dan muatan pemulihan balik tetap tidak berubah di seluruh 300–500 K, menunjukkan bahwa konsentrasi jebakan tidak sensitif terhadap suhu dalam GaN, berbeda dengan SBD berbasis Si, di mana Trr dapat meningkat >190% antara 300 dan 425 K [17]. Stabilitas termal unggul GaN mendasari kesesuaiannya untuk aplikasi switching daya suhu tinggi.
Karakteristik pemulihan balik untuk perangkat 500-µm pada 300, 400, dan 500 K.
Kesimpulan
Kami memproduksi SBD GaN vertikal pada substrat bebas mandiri doped Ge yang ditumbuhkan oleh HVPE. Pemeriksaan catodoluminesensi dan listrik mengonfirmasi kualitas kristal yang tinggi dan performa elektronik yang unggul. Uji pemulihan balik menunjukkan waktu dari 15,8 hingga 24,5 ns untuk perangkat dengan diameter 100 hingga 500 µm, dengan Trr dan Qrr yang berkaitan positif dengan luas elektroda. Temuan ini memberikan acuan untuk mengoptimalkan SBD berbasis GaN untuk aplikasi daya kecepatan tinggi dan suhu tinggi.
