Dubbele heterojunctie AlGaN/GaN Schottky-barrierediode op Si: Een gecombineerde theoretische en experimentele analyse

Samenvatting

Een AlGaN/GaN Schottky-barrierediode (SBD) met dubbele heterojunctie wordt theoretisch en experimenteel onderzocht op de GaN/AlGaN/GaN/Si-sub. Een twee-dimensionaal gatgas (2DHG) en elektrongas (2DEG) worden gevormd aan respectievelijk de GaN-top/AlGaN en AlGaN/GaN interface. In de uit-zustand worden de 2DEG en 2DHG gedeeltelijk uitgeput en verdwijnen vervolgens volledig. Er blijven de vaste positieve en negatieve polarisatieladingen over, die de polarisatiejunctie vormen. Daarom wordt een plat elektrisch veld in de driftregio en een hoge doorlaagspanning (BV) verkregen. Bovendien is de anode ingetrokken om de instakspanning (V_ON) te verlagen. Het lage-schade ICP-etsproces resulteert in verbeterde Schottky-contacten, en een lage lekkagestroom en een lage V_ON wordt verkregen. De gefabriceerde SBD vertoont een BV van 1109 V met anode-naar-kathode afstand (L_AC) van 11 μm. De gefabriceerde SBD's bereiken een lage V_ON van 0,68 V met goede uniformiteit, een hoge aan/uit-stroomverhouding ~ 10¹⁰ bij kamertemperatuur, een lage specifieke aan-weerstand (R_ON,SP) van 1,17 mΩ cm² en een hoge Baliga's figuur-van-waarde (FOM) van 1051 MW/cm².

Inleiding

AlGaN/GaN heterostructuur-gebaseerde laterale diode is een aantrekkelijk apparaat vanwege de hoge elektronenmobiliteit van het twee-dimensionale elektrongas (2DEG), hoge elektronenverzadigingssnelheid en hoog doorlaagse veld [1,2,3]. Uitgebreide inspanningen zijn gedaan om een lage instakspanning (V_ON), een lage omgekeerde lekkagestroom en een hoge doorlaagspanning (BV) te bereiken voor de GaN-diodes gebruikt in omzetters en omrichters voor voedingen en vermogensfactorcorrecties [4,5,6,7,8,9,10,11,12]. Verschillende benaderingen zijn voorgesteld om de niet-uniforme verdeling van het elektrisch veld op te lossen. Een van hen is de veldplaat (FP) technologie [5, 13]. Een volledig ingetrokken anode SBD met een dubbele veldplaat bereikt een hoge doorlaagspanning van 1,9 kV met 25 μm L_AC [5]. Het kan ook de instakspanning aanzienlijk verlagen terwijl hoge doorlaagspanning behouden blijft. Bovendien is het conventionele REduced SURface Field (RESURF) concept dat veelvuldig in siliciumtechnologie wordt toegepast, gedemonstreerd in GaN HEMT [14]. Verder is de polarisatiejunctie (PJ) bestaande uit het twee-dimensionaal gatgas (2DHG) boven de 2DEG voorgesteld om de relatie tussen specifieke aan-weerstand (R_ON,SP) en BV te verbeteren [15,16,17,18]. GaN-gebaseerde apparaten gebaseerd op het PJ-concept zijn gedemonstreerd op Safier en SiC-substraat, terwijl de hoge kosten en kleine diameters van GaN op SiC-substraten tegen de massa-commerciële toepassing gaan. GaN-op-Si met een grote diameter wordt beschouwd als een veelbelovende keuze vanwege de lage kosten [19,20,21,22]. Daarom is de prestatie van de PJ-diode op siliciumsubstraten de moeite waard om te bestuderen.

In dit werk stellen we een GaN/AlGaN/GaN-op-Si Schottky-barrierediode met dubbele heterojunctie (DJ) voor en demonstreren deze experimenteel. Het polarisatiejunctie-effect wordt bevestigd door simulaties en experimenten. Een plat elektrisch veld (E-veld) tussen de anode en kathode elektroden wordt bereikt. Het ICP-proces om de Schottky-gracht te etsen is geoptimaliseerd om een lage omgekeerde lekkagestroom en een lage V_ON met uitstekende ets-uniformiteit te bereiken. Het ohmisch contactproces is ook geoptimaliseerd om een lage contactweerstand (voor 2DEG) te bereiken op basis van de aangepaste epitaxiale laag (met 45 nm GaN-top). Daarom wordt een doorlaagspanning van 1109 V bereikt voor de SBD's met 11 μm L_AC en is Baliga's figuur-van-waarde (FOM) 1051 MW/cm². De temperatuurafhankelijkheid en dynamische R_ON,SP prestaties worden ook onderzocht.

Methode en experiment

De epitaxiale laag werd gegroeid door metal-organische chemische dampafzetting op 6-inch p-type silicium, bestaande uit 3,5-μm GaN bufferlaag, 150-nm GaN kanaallaag, 1-nm AlN tussenlaag, 45-nm Al_0.25Ga_0.75N barrièrlaag, en 45-nm GaN-toplaag van bodem naar boven. De GaN-toplaag omvat 35-nm p-GaN laag en 10-nm ongedopte GaN laag. Voor een gegeven AlGaN-dikte van 45 nm, neemt de 2DHG-dichtheid toe met de toename van GaN-top-dikte [22]. De dikke GaN-toplaag is vitaal voor de hoge-dichtheid 2DHG, terwijl het tegen de lage ohmische contactweerstand (voor 2DEG) ingaat. De schematische weergaven van de voorgestelde dubbele-heterojunctie Schottky-barrierediode (DJ SBD) worden getoond in Figuur 1a. De SBD-fabricage startte met de mesa-isolatie door Cl₂/BCl₃-gebaseerde geïnduceerde gekoppelde plasma (ICP) etsen tot een diepte van 300 nm. Vervolgens werden de ohmische gracht en de Schottky-anodegracht gevormd met het lage-schade ICP-etsproces. De diepte van de ohmische gracht en de Schottky-anodegracht was respectievelijk 50 nm en 90 nm, wat bevestigd werd door gebruik te maken van atoommicro scoop (AFM). Tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) oplossing bij 85 °C gedurende 15 min werd geïntroduceerd om de na-etsing residuen te verwijderen en de gracht-zijwand te modificeren na afloop van het etsproces [23]. Vervolgens werd aanlaten bij 400 °C gedurende 10 min in N₂ ambiëntie uitgevoerd. De ohmische kathode werd vervolgens gevormd door e-bundel verdampte Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm), geanneed bij 870 °C gedurende 35 s in N₂ ambiëntie, met een contactweerstand (R_C) van 0,49 Ω·mm. Ten slotte werden anode-metaal en de interconnexies gedeponeerd door Ni/Au om de fabricagestroom te voltooien. De apparaten hadden diverse L_AC van 7 tot 11 μm. Figuur 1b toont de hoge-resolutie doorsnede TEM-beeld van de anode na ICP en metaaldepositie, en de laagstructuur werd duidelijk waargenomen.

De 2DEG wordt geïnduceerd door de positieve polarisatieladingen langs de AlGaN/GaN interface. De bovenste GaN/AlGaN interface heeft negatieve polarisatieladingen en genereert daarom 2DHG aan de bovenste interface [15]. De opening tussen de driftregio en de kathode (L₁) wordt gebruikt om de gatstroomweg af te knippen zoals getoond in Figuur 2. We hebben alleen de invloed van L₁ van 2 tot 3 μm op de voorwaartse en achterwaartse blokkeerkarakteristieken onderzocht vanwege de limiet van het oorspronkelijke lay-outontwerp. De V_ON en R_ON,SP tonen geen verandering omdat L₁ het Schottky-contact en elektronenstroompad niet beïnvloedt. Bovendien daalt de BV licht met de toename van L₁ vanwege de verkorte driftregio. Het werkingsmechanisme van de DJ SBD's onder voorwaartse spanning is bijna hetzelfde als de conventionele SBD's, wat betekent dat 2DHG nauwelijks het elektronenstroompad van de kathode naar de anode beïnvloedt. Met de toenemende omgekeerde biasspanning worden de 2DEG en 2DHG volledig uitgeput. Er blijven vaste positieve en negatieve polarisatieladingen over, die de polarisatiejunctie vormen. Als resultaat wordt een plat E-velddistributie tussen de kathode en anode verkregen (Figuur 3).

Zoals getoond in Figuur 3, werden de doorlaagskarakteristiek en polarisatiejunctie-mechanisme bevestigd door 2-D Sentaurus TCAD van Synopsys. We hadden rekening gehouden met verschillende belangrijke fysische verschijnselen in de simulatie, waaronder bandgapvernauwing, polarisatie, elektronen/gaat mobiliteit, impactionisatie en SRH-recombinatie.

Hall-effectmeting werd toegepast om de 2DHG of 2DEG dichtheid en mobiliteitswaarden te bepalen [22]. De metingen werden uitgevoerd door de Van der Pauw methode bij kamertemperatuur. Om 2DHG te meten volgens Ref. [17], werden Hall-metingsmonsters gefabriceerd met Ni/Au ohmische contacten. De dichtheid en mobiliteit van de 2DHG waren respectievelijk 9 × 10¹² cm⁻² en 15 cm²/V s. De 2DEG werd gemeten door de monsters met ingetrokken GaN-top en gedeeltelijk AlGaN gefabriceerd met Ti/Al/Ni/Au ohmische contacten (voor 2DEG). De dichtheid en mobiliteit van de 2DEG waren respectievelijk 8,5 × 10¹² cm⁻² en 970 cm²/V s. De Hall-metingen toonden aan dat de gatmobiliteit nog steeds veel lager was dan de bulk-mobiliteit boven 100 cm²/V s. De degradatie van mobiliteit werd toegeschreven aan de diffusie van Mg van de p-GaN naar de ongedopte GaN tijdens de MOCVD-groei.

Resultaten en discussie

De gemeten I-V voorwaartse karakteristieken van de SBD's met diverse L_AC zijn geplot in Figuur 4a en b. De instakspanning (V_ON) is 0,68 V met een kleine variatie van 0,02 V. De idealiteitsfactor en de barrièrehoogte van de SBD's worden berekend als respectievelijk 1,44 ± 0,15 en 0,76 ± 0,04 eV. Figuur 4a toont dat de hoge voorwaartse stroomdichtheid van 183 mA/mm en 144 mA/mm (@ voorwaartse bias van 2,5 V) en de aan-weerstand van 0,642 en 1,17 mΩ cm² bereikt worden bij L_AC = 7 en 11 μm respectievelijk. Bovendien wordt een uitstekende aan/uit-stroomverhouding ~ 10¹⁰ verkregen zoals getoond in Figuur 4b. De subdrempelhelling (SS) is 63,0 mV/dec, wat dicht bij de ideale SS (59,6 mV/dec) ligt.

Figuur 5a toont de gemeten omgekeerde blokkeer I-V karakteristieken van de SBD's met diverse L_AC bij 300 K. De doorlaagspanning van de apparaten met verschillende L_AC is respectievelijk 803 V, 940 V en 1109 V, bij een lekkagestroom van 1 mA/mm. De dichtheden van 2DEG en 2DHG worden verondersteld hetzelfde tijdens de simulatie. Echter, de experimentele resultaten tonen aan dat de dichtheden van 2DHG (9 × 10¹² cm⁻²) iets hoger zijn dan die van 2DEG (8,5 × 10¹² cm⁻²). Het verschil tussen de vaste positieve en negatieve polarisatieladingen tijdens de uit-zustand beïnvloedt de ladingsevenwicht en degradeert daarmee de doorlaagspanning. De invloed van L_AC op de BV en de R_ON,SP wordt getoond in Figuur 5b. Een bijna lineaire relatie tussen BV en L_AC wordt verkregen, wat impliceert een relatief plat lateraal E-veld in de driftregio. Vanwege het polarisatiejunctie-effect demonstreert het apparaat een hoge Baliga's figuur-van-waarde (FOM = BV²/R_ON,SP) van 1051 MW/cm² (@ L_AC = 11 μm).

Het etsproces is vitaal voor de hoge-kwaliteit Schottky-interface en ohmisch contact. Figuur 6a toont de oppervlaktemorfologie van de ingetrokken gracht na het ICP-etsen (@ 5 °C) en de TMAH-oplossing. De etssnelheid is ongeveer 4,9 nm/min, en het geselecteerde recept is met een Cl₂ van 4 sccm, een ICP-vermogen van 50 W en een RF-vermogen van 15 W. De wortelgemiddelde kwadraat (RMS) ruwheid is 0,244 nm met het scanoppervlak van 2 × 2 μm².

Omdat de aangepaste epitaxiale laag 45 nm GaN-toplaag en 45 nm AlGaN-laag omvat, is het ohmisch contact (voor 2DEG) proces anders dan de conventionele SBD's. Zonder zowel GaN-top als AlGaN-barrièrlaag in te trekken, is lage contactweerstand moeilijk te bereiken door aanlaten vanwege de potentieelbarrière tussen het ohmische metaal en de 2DEG. Echter, als de barrière overmatig ingetrokken wordt, leidt de spanningsontlasting tot een reductie in de 2DEG-concentratie. Extra processen worden toegepast om de ohmische contactweerstand te verlagen. De oppervlakken van de monsters worden behandeld met de HCl-oplossing om de inheemse oxidelag te verwijderen voor depositie. Bovendien wordt de plasma-oppervlaktebehandeling toegepast (ICP-vermogen 50 W BCl₃ 10 sccm 3 min) om oppervlakte-donor-toestanden te introduceren [24]. Figuur 6b demonstreert de afhankelijkheid van de contactweerstand van de grachtdiepte. De geoptimaliseerde diepte wordt verkregen van 50 tot 55 nm. De hoge-temperatuur snelle thermische aanlating (RTA) voor het Ti/Al/Ni/Au contact wordt onderzocht in Fig. 6c. De aanlatingstemperatuur is van 840 tot 890 °C, en 870 °C resulteert in de laagste contactweerstand. Aanlaten bij hoge temperatuur, d.w.z. 870 °C, is gunstig voor de vorming van TiN aan de Ti/nitride-interface. Echter, hogere temperatuur (bijv. 890 °C) verhoogt de interdiffusie van Au en Al, wat nadelig is voor de vorming van goede ohmische contacten.

Figuur 7a–c tonen de statistische plots van de statische karakteristieken inclusief V_ON, V_F en BV. De data zijn geëxtraheerd uit 72 SBD's met L_AC van 7, 9 en 11 μm gefabriceerd in 3 afzonderlijke procesruns. De apparaten tonen stabiele voorwaartse instakkarakteristieken en de V_ON is onafhankelijk van L_AC, omdat V_ON voornamelijk wordt bepaald door het Schottky-contact. Het lage-schade ICP-etsproces, de precies gecontroleerde grachtdiepte en de hoge-kwaliteit Schottky-interface dragen bij aan de uitstekende uniformiteit van de V_ON en V_F. Bovendien, met de toename van L_AC (van 7 tot 11 μm), is er een monotone toename (~ 100 V/μm) in de BV waargenomen in de voorgestelde structuren. Figuur 7d toont de histogramstatistieken van de V_ON voor 72 apparaten, en de gemiddelde waarde is 0,68 V met een kleine standaardafwijking van 0,02 V.

De temperatuurafhankelijkheid van de omgekeerde en voorwaartse karakteristieken wordt beoordeeld in Figuur 8. Zoals getoond in Figuur 8a, resulteert een toename in omgevingstemperatuur van 300 tot 475 K in een toename van de R_ON,SP met een factor van 1,94.

De dynamische karakteristieken van de DJ SBD's worden gemeten door Agilent B1505A vermogensapparaat-analyser. De anode-puls rust-biaspunten worden ingesteld op −10 V, −20 V, −30 V, −40 V, −70 V en −100 V, met de anode-pulsbreedte en periode van 0,5 ms/500 ms. Figuur 9b toont de dynamische R_ON,SP als functie van de spanningspanning. De dynamische R_ON,SP zelfs bij 100 V reserve spanningspanning is slechts 1,18 keer die zonder omgekeerde spanning, wat vergelijkbaar is met Ref. [8]. De beperkte toename in de dynamische R_ON,SP draagt bij aan de reductie in interface-toestand. De degradatie van dynamische R_ON,SP vereist verder werk.

Figuur 10 presenteert de benchmark-plot van BV versus R_ON,SP voor GaN-vermogensdiodes op Si/SiC/safier substraten [8, 10, 22, 25,26,27,28,29,30,31]. Het voorgestelde apparaat met L_AC van 11 μM demonstreert een BV van 1109 V met een corresponderende R_ON,SP van 1,17 mΩ cm², wat leidt tot een hoge Baliga's FOM van 1051 MW/cm². Deze waarde is de beste resultaten onder de laterale GaN-vermogensdiodes op Si-substraat.

Conclusie

Een dubbele-heterojunctie GaN/AlGaN/GaN-op-Si SBD met een hoge figuur-van-waarde is gefabriceerd. Het lage-schade ICP-etsproces resulteert in de geoptimaliseerde ohmische en Schottky-contacten voor het voorgestelde apparaat. Daarom worden een lage V_ON van 0,68 V met goede uniformiteit en een lage R_ON,SP van 1,17 mΩ cm² verkregen in het apparaat met L_AC van 11 μm. Een hoge Baliga's FOM van 1051 MW/cm² wordt bereikt door het polarisatiejunctie-effect. De hoge prestaties samen met de lage-kosten GaN-op-Si technologie tonen groot potentieel voor toekomstige vermogensapplicaties.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn in dit artikel opgenomen.

Afkortingen

SBD:

Schottky barrier diode / Schottky-barrierediode

2DEG/2DHG:

Two-dimensional electron/hole gas / Twee-dimensionaal elektronen/gatgas

MOCVD:

Metal-organic chemical vapor deposition / Metaal-organische chemische dampafzetting

ICP:

Inductively coupled plasma / Geïnduceerde gekoppelde plasma

TEM:

Transmission electron microscope / Transmissie-elektronenmicroscopie

AFM:

Atomic force microscope / Atoommicro scoop

BV:

Breakdown voltage / Doorlaagspanning

R _ON,SP :

Specific on-resistance / Specifieke aan-weerstand

V _ON :

Turn-on voltage / Instakspanning

FOM:

Figure-of-merit / Figuur-van-waarde