Hoog-Nauwkeurige AlGaN/GaN Reverse-Blockerende Stroom-Regulerende Diode Met Hybride Groef Kathode

Samenvatting

Een nieuwe AlGaN/GaN laterale reverse-blockerende stroom-regulerende diode (RB-CRD) met een groef Schottky anode en een hybride groef kathode is experimenteel gerealiseerd op een silicium substraat. De geïntegreerde Schottky barrière diode (SBD) levert een aanloopspanning van 0,7 V en een omgekeerde doorbraakspanning van 260 V. De hybride groef kathode fungeert als een stroom-regulerende diode (CRD) in serie met de anode SBD, wat een kniespanning van 1,3 V en voorwaartse werking boven 200 V oplevert. De RB-CRD handhaaft een stabiele uitvoerstroom over 25–300 °C, met een kleine negatieve temperatuurcoëfficiënt van minder dan –0,152%/°C.

Achtergrond

Wijde-bandgap halfgeleiders vormen hoog-vermogen, hoge-frequentie, en hoge-temperatuur elektronica. GaN springt eruit door zijn grote bandkloof, hoge elektronenmobiliteit, en kritisch elektrisch veld. De spontane en piezo-elektrische polarisatie van de AlGaN/GaN heterointerface creëert een hoge-dichtheid tweedimensionaal elektrongas (2DEG), wat laag-aan-weerstand apparaten met hoge doorbraakspanningen mogelijk maakt. Het GaN-op-silicium (GaN-op-Si) platform combineert deze voordelen met de volwassenheid en kosteneffectiviteit van silicium wafers en CMOS processen, en een breed scala aan vermogensapparaten is al op dit substraat gedemonstreerd. Het toevoegen van nieuwe functionele apparaten zoals de RB-CRD kan de toepassingsruimte verbreeden en de commercialisering van AlGaN/GaN-op-Si technologie versnellen.

De RB-CRD, geïllustreerd in Fig. 1a, combineert een groef Schottky anode met een hybride groef kathode. Het apparaat gedraagt zich als een SBD in serie met een CRD. Een veelbelovend gebruik is batterij laden (Fig. 1b): de CRD levert een constante stroom aan de batterij, terwijl de omgekeerd gepolariseerde SBD omgekeerde ontlading voorkomt wanneer de invoerspanning onder de batterijspanning daalt.

Methoden

De epitaxiale AlGaN/GaN stapel werd gegroeid op 6-inch (111) Si door metaal-organische chemische dampafscheiding (MOCVD). Laagsamenstelling: 2 nm GaN kap, 23 nm AlGaN barrière, 1 nm AlN tussenlaag, 300 nm GaN kanaal, en 3,5 µm buffer. Hall metingen tonen een 2DEG dichtheid van 9,5×10¹² cm⁻² en mobiliteit van 1500 cm²/V·s. De fabricagevolgorde (Fig. 2) begint met een ondiepe groef geëtst door een laag-vermogen Cl₂/BCl₃ ICP proces (7 nm/min bij 20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃). Mesa isolatie en anode groeven volgen. Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm) ohmse contacten worden afgeschieden door e-bundel verdamping en geanneald bij 880 °C gedurende 35 s in N₂, wat een ohmse weerstand van 1,1 Ω·mm en velleerstand van 400 Ω/□ oplevert. Ten slotte wordt een Ni/Au (50/300 nm) Schottky stapel afgeschieden. De anode-kathode afstand (L_AC) is 4 µm; de ohmse contactlengte (L_O) is 0,5 µm; de Schottky contactlengte (L_S) is 1 µm, met een overhang (L_E) van 0,5 µm.

Resultaten en Discussie

AFM imaging (Fig. 3a) onthult een opvallend gladde groefbodem met 0,3 nm ruwheid, ideaal voor betrouwbare metaal-halfgeleider contact. De 17 nm groef diepgang laat een 8 nm AlGaN barrière achter, wat zorgt dat de 2DEG actief blijft bij nul bias (Fig. 3b).

De RB-CRD werking kan worden gevisualiseerd in drie bias regimes (Fig. 4). Bij nul bias, gedraagt het apparaat zich als een Schottky-drain depletion-mode HEMT. Met negatieve anode bias, is de anode SBD omgekeerd gepolariseerd en blokkeert het apparaat stroom, fungerend als een omgekeerd gepolariseerde SBD. Wanneer de anode spanning de SBD aanloopspanning overschrijdt (≈1 mA/mm), vloeien elektronen van de kathode ohmse contact naar de anode Schottky contact; gelijktijdig is de kathode Schottky verbinding omgekeerd gepolariseerd, wat de 2DEG onder het Schottky gebied depleteert en de stroom naar verzadiging drijft. Deze zelf-gereguleerde stroomstroom levert een constante uitvoerstroom.

Temperatuur-afhankelijke voorwaartse I-V kenmerken (Fig. 5a) tonen een kniespanning (V_k) van 1,3 V bij 80% van de regulerende stroom, wat eerdere gerapporteerde CRDs (≈0,6 V) overtreft door de additionele 0,7 V val over de anode SBD. Naarmate de temperatuur stijgt van 25 °C tot 300 °C, verschuift de SBD aanloopspanning naar beneden, consistent met thermionische emissietheorie. Het apparaat handhaaft een constante stroom tot 200 V (Fig. 5b), wat commerciële Si-gebaseerde CRDs overtreft. Bij 25 °C is de stroomverhouding I_{200 V}/I_{25 V} 0,998, wat uitzonderlijke stabiliteit bevestigt. Thermische stabiliteit wordt verder benadrukt door een temperatuurcoëfficiënt van minder dan –0,152%/°C, afgeleid van de I-T relatie α = (I₁-I₀)/[I₀(T₁-T₀)]×100%.

De omgekeerde doorbraakspanning piekt op 260 V bij 25 °C, corresponderend met een gemiddeld kritisch elektrisch veld van 0,65 MV/cm. Echter, de omgekeerde lekkagestroom stijgt met twee ordes van grootte wanneer de temperatuur verhoogd wordt tot 300 °C, zoals getoond in Fig. 6.

Conclusies

We hebben een eerste van zijn soort AlGaN/GaN-op-Si RB-CRD geïntroduceerd die een groef Schottky anode combineert met een hybride groef kathode. Het apparaat bereikt een kniespanning van 1,3 V, werkt betrouwbaar boven 200 V, en weerstaat 260 V omgekeerde doorbraak. De uitvoerstroom toont opmerkelijke nauwkeurigheid met een negatieve temperatuurcoëfficiënt onder –0,152%/°C. Deze kenmerken positioneren de RB-CRD als een sterke kandidaat voor next-generatie GaN vermogenselektronica, met name in batterijlading en andere constante-stroom toepassingen.

Afkortingen

2DEG:

Tweedimensionaal elektrongas

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

ICP:

Geïnductief gekoppeld plasma

MOCVD:

Metaal-organische chemische dampafscheiding

RB-CRD:

Reverse-blockerende stroom-regulerende diode

SBD:

Schottky barrière diode