Hoogspanning β-Ga2O3 Schottky-diode met argon-geïmplanteerde randafsluiting

1/C ² -V percelen van drie β-Ga₂ O₃ SBD-voorbeelden

waar A , q , en ε zijn Schottky-contactoppervlak, elektronenlading en permittiviteit van β-Ga₂ O₃ . E _c , E _f , eΔφ , k , T , en N _c zijn respectievelijk het geleidingsbandminimum, Fermi-niveau, potentiële barrièreverlaging veroorzaakt door de beeldkracht, Boltzmann-constante, absolute temperatuur in K en effectieve toestandsdichtheid van de geleidingsband.

Afbeelding 4a geeft de voorwaartse stroomdichtheid-spanning weer (J -V ) kenmerken van de β-Ga₂ O₃ SBD. Onder de voorwaartse voorspanning heeft de argonimplantatie geen significant effect op de elektrische eigenschappen. De drempelspanning wordt bepaald op 0,91 V, 0,92 V en 0,95 V voor drie monsters, de I _aan /Ik _uit verhoudingen zijn allemaal groter dan 10 ⁹ bij kamertemperatuur en door het lineaire gebied te passen, de specifieke aan-weerstanden (R _aan ) zijn 1,7,2,1 en 3,3 mΩ cm ² , en doorlaatstroomdichtheden bij 2 V zijn 857, 699 en 621 A/cm ² voor respectievelijk drie monsters, zoals weergegeven in de inzet van figuur 4a. De stroomdichtheden zijn hoger en de specifieke aan-weerstanden zijn lager dan of vergelijkbaar met de gerapporteerde waarden voor de hogere geleidbaarheid en dragerdichtheid in de driftlaag [12, 13, 26,27,28,29,30].

een De voorwaartse J -V kenmerken van de beëindigde en onafgesloten β-Ga₂ O₃ bij kamertemperatuur en b de temperatuurafhankelijke voorwaartse J -V kenmerken van monster C van 300 tot 423 K. c Richardsons plot van ln(J .) s/T ² ) vs 1000/T van monster C

Om de effecten van argonimplantatie op de temperatuurafhankelijkheid van de voorwaartse kenmerken te onderzoeken, wordt de voorwaartse J -V metingen van monster C worden uitgevoerd van 300 tot 423 K, zoals weergegeven in Fig. 4b. De ideale factor n en Schottky barrière hoogte φ _{b_JV} zijn vastgesteld op 1,06 en 1,22 eV bij kamertemperatuur, lager dan de φ _{b_CV} van (1,32 ± 0,08) eV, volgens het thermionische emissie (TE)-model [31, 32]. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt de n neemt af van 1,06 tot 1,02 en de barrièrehoogte neemt iets af, maar is bijna constant op 1,21 ± 0,01 eV over het temperatuurbereik, wat in strijd is met de barrièrehoogteafname van een ideale Schottky-diode met temperatuurstijging, maar is waargenomen in gefabriceerd β-Ga ₂ O₃ SBD [26]. Met behulp van de vergelijking ln(J s/T ² ) = ln(A*)-qϕ _b /kT , de hoogte van de barrière ϕ _b en de effectieve Richardson-constante A* wordt bepaald op 1,22 eV en 48,5 A/cm ² K ² voor monster C van de helling en de y -as snijpunt van het lineaire gebied van de plot, zoals weergegeven in figuur 4c. Bovendien liggen de geëxtraheerde A*-waarden voor tientallen apparaten op de drie voorbeelden tussen 24 en 58 A/cm ² K ² , consistent met de resultaten van het vorige experiment en de theoretische waarde, 24-58 A/cm ² K ² , met de effectieve elektronenmassa m ^* = 0,23–0,34 m₀ van β-Ga₂ O₃ [33,34,35,36,37].

Afbeelding 5a toont de omgekeerde J -V kenmerken van de monsters. Na argonimplantatie neemt de doorslagspanning toe van 209 naar 252 en 451 V en het Baliga-verdienste (V_BR ² /R_aan ) voor drie monsters zijn ongeveer 25,7, 30,2 en 61,6 MW cm ⁻² , respectievelijk. Tijdens implantatie kunnen enkele defecten worden geïntroduceerd en leiden tot de significante en ongewenste toename van lekstroom, wat ook werd gerapporteerd in SiC- en GaN Schottky-diode-apparaten [18,19,20]. Hoewel de thermische uitgloeiing werd uitgevoerd na argon-implantatie, zijn er nog steeds iets grotere lekstromen voor monsters B en C. Daarom moeten de onderzoeksdetails van de temperatuur na uitgloeien en de duur van de voorwaartse en achterwaartse elektrische kenmerken in het volgende artikel worden behandeld.

een De omgekeerde J -V kenmerken van de β-Ga₂ O₃ monsters bij kamertemperatuur. b en c Verdeling van doorslagspanningen van β-Ga₂ O₃ SBD's met en zonder argonimplantatie

Afbeelding 5b, c geeft de verdeling van doorslagspanningen van β-Ga₂ . weer O₃ Schottky-gelijkrichters met en zonder argonimplantatie. De ideale vlakke parallelle doorslagspanningen van deze apparaten worden bepaald als 553 ~ 598 V, met behulp van het kritische elektrische veld van 5,1 ~ 5,3 MV/cm [11, 39]. De doorslagspanning zonder argonimplantatie is ongeveer 110 ~ 310 V, wat ongeveer 50% van de ideale waarden is. Echter, met een argon-implantatiedosis van 5 × 10 ¹⁴ cm ⁻² , neemt de doorslagspanning toe tot 150~350 V, niet veel groter dan het referentieapparaat, terwijl met de dosis van 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻² , nadert de doorslagspanning de ideale waarden. In dit werk kan de maximale doorslagspanning van 550 V worden verkregen. Daarnaast werd de elektrische veldverdeling bij de doorslagspanning gesimuleerd. Ter vereenvoudiging werd een enkel acceptorniveau in het midden van de opening toegevoegd met de implantatiediepte van 50 nm bepaald door de TRIM-simulatie en het onvolledige ionisatiemodel werd ook overwogen [38], zoals weergegeven in Fig. 6. Het is duidelijk dat de laag met hoge weerstand effectief gladstrijkt uit elektrisch veld op de junctiehoeken en verbetert de doorslagspanning aanzienlijk in vergelijking met het referentiemonster. De maximale elektrische velden bij doorslagspanning zijn allemaal ongeveer 5,05 MV/cm, vergelijkbaar met de gerapporteerde resultaten [11, 39], terwijl de positie verandert van de anodehoek bij het grensvlak naar de overlappende hoek net onder het implantatiegebied, zoals aangegeven in Afb. 6d, e.

Simulatie van de elektrische veldverdeling bij doorslagspanning van monsters A–C (a , c , e ), de vergrote afbeelding van geselecteerde regio's in een gestippeld vak (b , d , v , g ), het gesimuleerde elektrische veld versus de positie langs de stippellijn in (b , d , v ) voor drie monsters, Au/Ni/β-Ga₂ O₃ interface voor monster A, 50 nm onder de interface voor respectievelijk monsters B en C. Het maximale veld is 5,05 MV/cm