Verbetering van β-Ga₂O₃ Schottky Dioden: Argon-Geïmplanteerde Randafwerking Verhoogt Doorbraakspanning en Figuur-van-Mereet

Samenvatting

We demonstreren dat rand-afgewerkte Au/Ni/β-Ga₂O₃ Schottky barrière diodes, geproduceerd met een gefocuste argon-implantatie stap, een opmerkelijke stijging in omgekeerde doorbraakspanning en Baliga figuur-van-mereet (FOM) bereiken. Door de implantatiedosis te variëren van 5×10¹⁴ cm⁻² tot 1×10¹⁶ cm⁻² bij 50 keV, stijgt de doorbraakspanning van 209 V tot 252 V en 451 V (met een maximum gemeten waarde van 550 V). Daarbij verbetert de FOM van 25,7 tot 30,2 en 61,6 MW cm⁻², wat 17,5% en 140% verbeteringen vertegenwoordigen, respectievelijk. 2-D toestelsimulaties bevestigen dat de hoge-weerstand amorfe laag geproduceerd door argon-ionen de elektrische veldpiek van de anodenhoek naar een regio onder de implantatie gladstrijkt, veldverzameling verminderend. Temperatuur-afhankelijke voorwaartse bias metingen illustreren verder stabiele prestaties over een breed thermisch bereik.

Achtergrond

Ultra-wijd bandgat halfgeleiders zoals β-Ga₂O₃, AlN, en diamant bevorderen het hoogvermogen elektronica landschap snel. β-Ga₂O₃ biedt een uitzonderlijk bandgat van 4,8-4,9 eV en een theoretisch doorbraakveld van ~8 MV cm⁻¹, wat 4H-SiC en GaN overtreft met factoren drie en vier, respectievelijk. De Baliga FOM bereikt 3400, een orde van grootte hoger dan SiC en vier keer hoger dan GaN, wat het positioneert als een primair kandidaat voor lage-verlies, hoge-spanning schakeltoestellen.

Grote-oppervlakte, kosteneffectieve β-Ga₂O₃ einkristallen kunnen gekweekt worden door zwevende-zone (FZ) of rand-gedefinieerde film-gevoede groei (EFG). Doping met Sn, Si, of Ge stelt elektrondichtheden in te stellen van 10¹⁶ tot 10¹⁹ cm⁻³, wat het ontwerp van toestellen met afgestemde geleidbaarheid mogelijk maakt. Schottky barrière diodes (SBDs) geproduceerd uit β-Ga₂O₃ benutten het materiaal's snelle schakeling en lage voorwaartse val, waardoor de vermogensconversie-efficiëntie verbetert.

Ondanks record doorbraakspanningen van 1,016 kV, 2,3 kV, en 1,6 kV in niet-afgewerkte β-Ga₂O₃ SBDs, blijven deze waarden achter bij de theoretische 34%, 8%, en 10% van de ideale limiet. Randafwerking is daarom essentieel om elektrisch-veldcrowding te verlichten en het volledige potentieel van het materiaal te ontgrendelen. Conventionele benaderingen zoals veldplaten, drijvende ringen, graaf MOS, en junction termination extension (JTE) zijn ineffectief in β-Ga₂O₃ vanwege het intrinsieke gebrek aan p-type doping. In plaats daarvan is argon-implantatie opgedoken als een eenvoudige, lithografie-vrije techniek om een hoge-weerstand amorfe laag aan de anodenrand te vormen, effectief de velddistributie gladstrijkend en met succes toegepast in SiC en GaN rectifiers.

In dit werk produceren we verticale rand-afgewerkte β-Ga₂O₃ SBDs met argon implantatie aan de Schottky contact periferie, en evalueren we systematisch hun elektrische karakteristieken en velddistributie.

Methoden/Experimenteel

De 10 µm-dikke driftlaag was mechanisch exfolieerd van een hoge-zuiverheid Sn-gedopeerde (100) β-Ga₂O₃ bulk gegroeid door EFG. Hoog-resolutie Röntgendiffractie (HRXRD) en atoomkrachtmicroscopie (AFM) bevestigden uitzonderlijke kristalkwaliteit (FWHM = 37,4 arcsec, RMS = 0,203 nm). Vier-punt meetingen leverden een velleerstand van 563 Ω □⁻¹, overeenkomend met een elektronenmobiliteit van 85-95 cm² V⁻¹ s⁻¹ bij een dragerconcentratie van 1,3×10¹⁷ cm⁻³.

Achterkant argon implantatie (50 keV, 2,5×10¹⁴ cm⁻²) gevolgd door 950 °C, 60-min anneal in N₂ produceerde een uniforme n-type ohmisch contact. Na het depositieren van een Ti/Au (20 nm/100 nm) stack en snelle-thermische annealing (RTA) bij 600 °C, 60 s, werd het vooroppervlak gepatroneerd met een 2-µm fotoresist masker. Argon ionen (50 keV) werden vervolgens geïmplanteerd aan de Schottky rand met dosissen van 5×10¹⁴ cm⁻² (monster B) en 1×10¹⁶ cm⁻² (monster C). Een 400 °C, 60-s RTA in N₂ verlichtte implantatieschade en onderdrukte omgekeerde lekkage. Ten slotte werden 100 µm-diameter Ni/Au (30 nm/200 nm) Schottky anoden gedefinieerd door standaard fotolithografie, verdamping, en lift-off. Een referentietoestel (monster A) werd identiek verwerkt maar zonder randimplantatie.

Doorsnede TEM van monster C onthulde een amorfe β-Ga₂O₃ laag ~50 nm dik onder de implantatieregio (Fig. 2a). Figuur 2b toont een foto van het voltooide toestel. Meetopstellingen voor voorwaartse I-V (0-3 V, 10 mV stappen) en omgekeerde I-V (0 tot -500 V, 1 V stappen) zijn geïllustreerd in Fig. 2c,d.

Resultaten en Discussie

De 1/C²-V kurven voor alle drie monsters leverden een effectieve donorconcentratie van (1,3±0,04)×10¹⁷ cm⁻³ en een ingebouwde potentieel van 1,30 eV. Met standaard Schottky analyse, werd de barrièrehoogte φ_b,CV bepaald als 1,32 eV. De extractievergelijkingen worden hieronder gepresenteerd:

$$rac{1}{C^2}=\frac{2}{q\varepsilon A^2(N_d-N_a)}(V_{bi}-V)\quad(1)$$ $$e\varphi_b=eV_{bi}+ (E_c-E_f)-e\Delta\varphi\quad(2)$$ $$E_c-E_f=kT\ln\left(\frac{N_c}{N_d-N_a}\right)\quad(3)$$ $$e\Delta\varphi=\left\{\frac{e}{4\pi\varepsilon}\left[\frac{2eV_{bi}(N_d-N_a)}{\varepsilon}\right]^{1/2}\right\}^{1/2}\quad(4)$$

Voorwaartse J-V karakteristieken (Fig. 4a) tonen aan dat randimplantatie de voorwaartse geleiding niet degradeert. Drempelspanningen blijven binnen 0,91-0,95 V, en de I_on/I_off verhouding overschrijdt 10⁹ bij kamertemperatuur. Specifieke aan-weerstanden nemen matig toe van 1,7 tot 3,3 mΩ cm², terwijl piekstroomdichtheden bij 2 V boven 600 A cm⁻² blijven, vergelijkbaar met of beter dan literatuurwaarden voor vergelijkbare driftlagen.

Temperatuursweeps onthullen een idealiteitsfactor n dalend van 1,06 tot 1,02 en een bijna constante barrièrehoogte φ_b,JV van 1,21 eV, wat thermionische emissie dominantie aangeeft met minimale beeldkracht verlaging. De Richardson plot levert φ_b = 1,22 eV en een effectieve Richardson constante A* = 48,5 A cm⁻² K⁻², wat overeenkomt met het theoretische bereik voor β-Ga₂O₃ (24-58 A cm⁻² K⁻²) gebaseerd op een effectieve massa van 0,23-0,34 m₀.

Omgekeerde J-V metingen (Fig. 5a) bevestigen dat argon implantatie de doorbraakspanning significant verbetert: van 209 V (monster A) tot 252 V (monster B) en 451 V (monster C). De corresponderende Baliga FOM waarden stijgen van 25,7 tot 61,6 MW cm⁻², een 140% verbetering bij de hoogste dosis. Lekstromen zijn iets hoger in de geïmplanteerde toestellen, waarschijnlijk door residuele implantatieschade; verdere optimalisatie van na-implantatie anneal parameters zal in toekomstig werk verkend worden.

Statistische analyse van 550 V maximum doorbraakspanning over de monsterset bevestigt dat de hoge-weerstand randlaag de elektrisch-veldpieken met succes vermindert. 2-D simulaties (Fig. 6) die een 50 nm diepe mid-gap acceptor en onvolledige ionisatiemodel incorporeren, demonstreren een verschuiving van het piekveld van de anodenhoek naar een regio onder de implantatie, met een maximum veld van 5,05 MV cm⁻¹ - consistent met theoretische limieten en superieur aan SiC en GaN tegenhangers.

Conclusies

We hebben met succes verticale Au/Ni/β-Ga₂O₃ Schottky diodes geproduceerd met argon-geïmplanteerde randafwerking. Vergeleken met een referentietoestel, vertonen de geïmplanteerde diodes een 20-140% toename in doorbraakspanning en een vergelijkbare of iets hogere aan-weerstand. De hoogst gemeten doorbraakspanning bereikt 550 V, met een piekelektrisch veld van 5,05 MV cm⁻¹ - ver boven de limieten van SiC en GaN diodes. Deze resultaten bevestigen dat een eenvoudige, lithografie-vrije argon-implantatie stap het volledige hoge-spanningspotentieel van β-Ga₂O₃ Schottky toestellen kan ontgrendelen.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscoop

EFG:

Rand-gedefinieerde film-gevoede groei

FWHM:

Volledige breedte op half-maximum

FZ:

Zwevende-zone

HRXRD:

Hoog-resolutie Röntgendiffractie

JTE:

Junction termination extension

MOSFET:

Metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistor

RMS:

Wortel gemiddelde kwadraat

SBD:

Schottky barrière diode

TE:

Thermionische emissie