Snelle Terugkeerherstel in Ge-gedote Verticale GaN Schottky-barrière-diodes

Samenvatting

Verticale GaN Schottky-barrière-diodes (SBDs) gegroeid op Ge-gedote vrijstaande GaN-substraten vertonen superieure kristalkwaliteit en elektrische prestaties. Kathodoluminescentie-imaging onthult een uniforme dislocatiedichtheid van ≈1,3×10⁶ cm⁻². De apparaten presenteren een lage inschakelspanning V_on van 0,70–0,78 V en een I_on/I_off verhouding variërend van 9,9×10⁷ tot 1,3×10¹⁰. Terugkeerherstelmetingen leveren tijden van 15,8–24,5 ns op voor 100–500 µm diameters, met zowel hersteltijd als lading positief gecorreleerd met elektrode-oppervlakte.

Inleiding

Wijde-bandgaap-halfgeleiders, met name GaN, zijn cruciaal geworden voor next-generation hoge-frequentie, hoge-vermogen en hoge-prestatie elektronica. Recente vooruitgang in hydride-dampfase-epitaxie (HVPE) maakt commerciële groei van lage-dislocatie GaN-substraten mogelijk (≤10⁶ cm⁻²). Verticale apparaatarchitecturen opgebouwd op deze substraten bieden grotere stroomdichtheden, verminderde lekkagepaden en verbeterde betrouwbaarheid vergeleken met laterale ontwerpen.

GaN-gebaseerde Schottky-barrière-diodes zijn kritieke componenten in vermogen-schakelcircuits. Hun unipolaire aard elimineert minderheidsdrageropslag, wat hoge schakelsnelheden en lage terugkeerherstelverliezen oplevert. Echter, systematische studies van terugkeerherstelgedrag in verticale GaN SBDs blijven schaars. Dit werk vult die kloof in door Ge-gedote verticale SBDs te fabriceren op vrijstaand GaN en hun terugkeerherstelprestaties rigoureus te evalueren.

Ge is een aantrekkelijke n-type dopant voor GaN, die ondiepe activering (≈20 meV) biedt vergelijkbaar met Si terwijl minder roostervervorming induceert door de ionische straal. Ge-doping levert gladde oppervlakken en verminderde defectdichtheden, en verhoogt thermische stabiliteit, een cruciale eis voor hoge-temperatuuro apparaten. Hier presenteren we het eerste systematische onderzoek naar terugkeerherstelkenmerken in Ge-gedote verticale GaN SBDs.

Methodes en Experimenten

De apparaatarchitectuur is geïllustreerd in Fig. 1a: een 390-µm dik vrijstaand n⁺-GaN-substraat bedekt door een 9-µm n⁻-GaN-driftlaag. Het substraat, gegroeid door HVPE, incorporeert 1×10¹⁸ cm⁻³ Ge en vertoont een dislocatiedichtheid van 1×10⁶ cm⁻². De epitaxiale laag werd gedeponeerd door metaal-organische chemische dampdepositie bij ≈2 µm h⁻¹.

Apparaatfabricatie omvatte Ti/Al/Ni/Au ohmische contacten op de achterkant en Ni/Au Schottky-elektroden op de voorkant, met diameters van 100, 200, 300, 400 en 500 µm (Fig. 1b). Volledige procesdetails zijn beschikbaar in eerdere rapporten.

a Schematische doorsnede van de verticale SBD. b Optische microscopie-afbeelding van de vijf elektrodediameters. c Panchromatische CL-afbeelding van de epitaxiale laag.

CL-imaging werd uitgevoerd met een Quanta 400 FEG SEM bij 10 kV om de dislocatiedistributie in kaart te brengen. Capaciteit-spanning (C-V) en stroom-spanning (I-V) metingen gebruikten een Keithley 4200-analysator. Temperatuur-afhankelijke tests liepen van 300–500 K met een aangepaste opstelling.

Resultaten en Discussie

Figuur 1c toont de CL-kaart van de epitaxiale laag. Donkere plekken duiden op niet-radiatieve dislocatiecentra; hun uniforme distributie levert een gemiddelde dichtheid van ≈1,3×10⁶ cm⁻² op, wat hoge-kwaliteit kristalgroei bevestigt.

C-V en G-V curven werden opgenomen bij 1 MHz (Fig. 2a–b). Uit de 1/C²–V plots is de donorconcentratie N_d ≈6,2×10¹⁵ cm⁻³. De fasehoek θ, berekend via tan⁻¹(2πfC/G), blijft ≈90°, wat minimale lekkage door de Schottky-barrière aangeeft (Fig. 2b inset).

J-V kenmerken (Fig. 2c) onthullen I_on/I_off verhoudingen variërend van 9,9×10⁷ tot 1,3×10¹⁰ en V_on waarden tussen 0,70 en 0,78 V over alle diameters, wat uitstekende elektronische prestaties demonstreert.

a Kamer-temperatuur C-V curven voor elke elektrodegrootte. b G-V curven met θ versus V inset voor 300-µm apparaat. c J-V curven voor alle diameters.

Terugkeerherstelgedrag werd gemeten met het testcircuit in Fig. 3a. Een blokgolfspanning (+20 V tot –20 V) stuurt het apparaat; de transiënte stroom wordt vastgelegd door een hoge-snelheidssonde op een Tektronix MDO 4104-3 oscilloscoop. De terugkeerherstergolfvorm (Fig. 3b) definieert opslagtijd t_a, terugkeerstroomvertraging t_b en hersteltijd T_rr (tijd tot 10% van piek-terugkeerstroom). De terugkeerherstellaading Q_rr wordt verkregen door de terugkeerstroom te integreren tot T_rr.

a Testcircuit voor terugkeerherstelmeting. b Schematisch overzicht van de terugkeerherstergolfvorm.

Figuur 4 toont de terugkeerherstelstromen voor alle elektrodediameters. De T_rr waarden zijn 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 en 24,5 ns voor 100, 200, 300, 400 en 500 µm apparaten, respectievelijk. De corresponderende Q_rr waarden zijn 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 en 0,405 nC. Alle apparaten bereiken sub-25-ns hersteltijden, en het kleinste apparaat vertoont het snelste herstel. Zowel T_rr als Q_rr nemen toe met elektrode-oppervlakte.

Terugkeerherstelstroom voor elke elektrodediameter.

Om spanningsafhankelijkheid te onderzoeken, herhaalden we de meting met ±10 V. T_rr blijft essentieel onveranderd, terwijl Q_rr blijft schalen met het kwadraat van de diameter (d.w.z. elektrode-oppervlakte) zoals getoond in Fig. 6.

Terugkeerhersteltijd T_rr versus elektrodediameter d.

Terugkeerherstellaading Q_rr versus elektrodediameter d.

Het dominante mechanisme achter het waargenomen gedrag is val-geassisteerde opslag in plaats van parasitair inductie. Uniforme valdistributie leidt tot een Q_rr evenredig met contactoppervlakte. Gevolgd groeit de RC-tijdconstante met apparaatdiameter, wat de lineaire toename in T_rr verklaart. Het verkleinen van elektrodegrootte of driftlaagdikte zou het herstelprestaties verder moeten verbeteren, zoals bevestigd door eerdere werkzaamheden.

Temperatuur-afhankelijkheid werd geëvalueerd voor het 500-µm apparaat (Fig. 7). Terugkeerhersteltijd en lading blijven onveranderd over 300–500 K, wat aangeeft dat valconcentraties temperatuur-ongevoelig zijn in GaN, in tegenstelling tot Si-gebaseerde SBDs, waar T_rr met >190% kan toenemen tussen 300 en 425 K. De superieure thermische stabiliteit van GaN ondersteunt de geschiktheid voor hoge-temperatuur vermogen-schakeling.

Terugkeerherstelkenmerken voor 500-µm apparaat bij 300, 400 en 500 K.

Conclusies

We hebben verticale GaN Schottky-barrière-diodes gefabriceerd op Ge-gedote vrijstaande substraten gegroeid door HVPE. Kathodoluminescentie en elektrische metingen bevestigen hoge kristalkwaliteit en uitstekende elektronische prestaties. Terugkeerhersteltesten onthullen tijden van 15,8 tot 24,5 ns voor apparaten variërend van 100 tot 500 µm in diameter, met zowel T_rr als Q_rr positief schaalend met elektrode-oppervlakte. Deze bevindingen bieden een referentie voor het optimaliseren van GaN-gebaseerde SBDs voor hoge-snelheid, hoge-temperatuur vermogentoepassingen.

Afkortingen

CL

Kathodoluminescentie

C-V

Capaciteit-spanning

DUT

Apparaat onder test

FS

Vrijstaand

GaN

Galliumnitride

HVPE

Hydride-dampfase-epitaxie

I-V

Stroom-spanning

SBDs

Schottky-barrière-diodes

SEM

Scanning-elektronenmicroscoop