Высокоточный CRD с обратным блокированием AlGaN / GaN (RB-CRD) с гибридным канавочным катодом

Фон

Полупроводники с широкой запрещенной зоной привлекли значительное внимание для следующего поколения мощных, высокочастотных и высокотемпературных устройств. GaN является одним из наиболее многообещающих полупроводников с широкой запрещенной зоной благодаря своим превосходным свойствам, таким как большая ширина запрещенной зоны, высокая подвижность электронов и высокое критическое электрическое поле [1,2,3,4,5]. Кроме того, благодаря комбинации спонтанной поляризации и пьезоэлектрической поляризации на гетерогранице AlGaN / GaN может быть получен двумерный электронный газ с высокой плотностью (2DEG). Такие превосходные свойства позволяют силовым устройствам на основе AlGaN / GaN работать с низким сопротивлением в открытом состоянии при сохранении высокого напряжения пробоя. Платформа GaN-на-кремнии (GaN-on-Si) [6,7,8] считается наиболее многообещающей технологией для создания высокопроизводительных и недорогих силовых устройств из-за доступности кремниевых пластин большого диаметра и совместимость с существующим технологическим процессом изготовления КМОП. На сегодняшний день на AlGaN / GaN-на-Si продемонстрировано множество силовых устройств [9,10,11,12,13,14,15,16], и некоторые из них коммерчески доступны. В то же время разработка устройства AlGaN / GaN с новыми функциями может расширить возможности применения AlGaN / GaN-on-Si, что будет способствовать расширению коммерциализации технологии AlGaN / GaN.

Как показано на рис. 1а, в этой работе на AlGaN / GaN-on-Si экспериментально продемонстрировано устройство нового типа, называемое диодом с обратной блокировкой тока (RB-CRD). RB-CRD имеет канальный анод Шоттки и гибридный канальный катод. Канальный диод с барьером Шоттки (SBD) формируется на аноде, а CRD достигается в гибридном канавочном катоде. RB-CRD можно рассматривать как SBD, последовательно соединенный с CRD. Типичное применение RB-CRD - зарядка аккумулятора, как показано на рис. 1b. В вышеупомянутой схеме зарядки аккумулятора CRD действует как источник постоянного тока, который выводит постоянный ток для зарядки аккумулятора [17,18,19] независимо от колебаний прямого напряжения между входом и аккумулятором. Если входное напряжение упадет ниже напряжения батареи, SBD с обратным смещением в цепи предотвратит разрядку батареи.

а Схематический разрез RB-CRD. б Принципиальная схема зарядки аккумулятора при помощи RB-CRD

Методы

Эпитаксиальная гетероструктура AlGaN / GaN, используемая для изготовления RB-CRD, была выращена на кремниевой подложке 6 дюймов (111) методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Эпитаксиальные слои состоят из 2-нм крышки GaN, 23-нм барьера AlGaN, 1-нм промежуточного слоя AlN, канала GaN 300 нм и буфера 3,5 мкм. Плотность и подвижность 2DEG, измеренные с помощью эффекта Холла, составили 9,5 × 10 ¹² . см ⁻² и 1500 см ² / V · s соответственно. Процесс изготовления устройства показан на рис. 2. Сначала в катоде RB-CRD протравили неглубокую канавку (см. Рис. 3) с помощью маломощного Cl ₂ / BCl ₃ технология травления на основе индуктивно связанной плазмы (ICP). Скорость травления 7 нм / мин наблюдалась с использованием разработанного рецепта травления с мощностью RF 20 Вт, мощностью ICP 60 Вт, Cl ₂ поток 5 sccm, и BCl ₃ расход 10 куб. см. Затем с использованием той же техники травления ICP для отключения устройств была сформирована мезоизоляция глубиной 300 нм. Одновременно с этим производилась анодная траншея. После этого металлические стопки Ti / Al / Ni / Au (20/150/55/60 нм) были нанесены путем испарения электронным пучком с последующим быстрым термическим отжигом при 880 ° C в течение 35 с в N ₂ окружающий. Сопротивление омического контакта 1,1 Ом · мм и сопротивление листа 400 Ом / квадрат были извлечены методом линии передачи. Наконец, процесс изготовления устройства завершился осаждением пакета металла Шоттки Ni / Au (50/300 нм). Расстояние между анодом и катодом ( L _AC ) составляет 4 мкм. Длины омического контакта ( L _O ) и контакт Шоттки ( L _S ) в катодной канавке составляют 0,5 мкм и 1 мкм соответственно. Удлиненный свес ( L _E ) контакта Шоттки составляет 0,5 мкм.

Технологический процесс производства RB-CRD

а АСМ изображения катодной канавки. б Профиль по высоте взят из катодной канавки

Результаты и обсуждение

На рис. 3а показано изображение изготовленной катодной канавки, полученное с помощью трехмерного атомно-силового микроскопа (АСМ). Шероховатость дна катодной канавки составляет 0,3 нм. Такая небольшая шероховатость поверхности благоприятна для последующего контакта металл-полупроводник. Как показано на рис. 3b, при углублении катодной канавки глубиной 17 нм барьерный слой AlGaN толщиной 8 нм остается в области катодной канавки. Такой оставшийся барьерный слой AlGaN позволяет каналу 2DEG в области катодной канавки всегда существовать при нулевом смещении.

На рисунке 4 показан механизм работы RB-CRD. Когда к аноду приложено нулевое смещение ( V _AC =0 В) (см. Рис. 4a), RB-CRD аналогичен HEMT с режимом истощения стока Шоттки с подключенными электродами затвор-исток. Когда к аноду приложено отрицательное смещение ( V _AC <0 В) (см. Рис. 4b), электроны будут накапливаться в области катодной канавки, в то время как канал 2DEG будет истощен в анодной области из-за обратного смещения перехода Шоттки. Между анодом и катодом нет желаемого тока, и RB-CRD действует как SBD с обратным смещением. Как показано на рис. 4c, когда положительное смещение, превышающее напряжение включения ( V _Т , при 1 мА / мм) анода SBD подается на анод ( V _AC > V _Т ), электроны будут течь между омическим контактом на катоде и контактом Шоттки на аноде. Между тем переход Шоттки в катоде имеет обратное смещение, а канал 2DEG под контактом Шоттки будет постепенно истощаться с увеличением прямого смещения. Следовательно, выходной ток сначала будет увеличиваться с приложенным анодным напряжением, а затем постепенно достигнет насыщения. В таком случае можно получить устойчивый выходной ток.

Схема механизма работы RB-CRD под a нулевое смещение, b обратное смещение и c условия прямого смещения

Температурно-зависимый передний I-V Характеристики RB-CRD на пластине показаны на рис. 5. Как показано на рис. 5a, для RB-CRD напряжение колена ( V _К при 80% установившегося регулирующего тока) получается 1,3 В, что выше, чем у наших ранее описанных CRD (например, типичное значение 0,6 В) [20, 21]. Это связано с дополнительным падением напряжения (например, типичное значение 0,7 В) на анодном SBD RB-CRD. При повышении температуры от 25 до 300 ° C (см. Рис. 5а) отрицательный сдвиг V _Т наблюдается, что может быть объяснено с помощью модели термоэмиссии (т. е. меньшая энергия требуется электронам для преодоления барьера Шоттки при более высоких температурах). RB-CRD способен выдавать устойчивый регулирующий ток до 200 В (см. Рис. 5b), что выше, чем заявленное максимальное рабочее напряжение коммерческих CRD на основе Si [22,23,24]. При 25 ° C коэффициент регулирующего тока ( I _{200 V} / Я _{25 V} ) предлагаемого RB-CRD составляет 0,998, что указывает на довольно стабильный выходной ток. Благодаря присущей платформе AlGaN / GaN способности к работе при высоких температурах, RB-CRD демонстрирует незначительное ухудшение устойчивости I _А до 200 В при температуре до 300 ° C. Между тем, при повышении температуры с 25 до 300 ° C передний I _А уменьшается с 31,1 до 23,1 мА / мм из-за уменьшения подвижности электронов при повышенных температурах, как показано на рис. 5b. Температурные коэффициенты ( α ) регулирующего тока в различных диапазонах температур можно рассчитать по следующей формуле

где I ₀ выходной ток при температуре T ₀ и я ₁ выходной ток при температуре T ₁ . Небольшой температурный коэффициент менее - 0,152% / ^o Наблюдается C, что указывает на то, что изготовленный RB-CRD обладает превосходной термостойкостью.

Прямое смещение, зависящее от температуры I - V характеристики RB-CRD. Диапазоны анодного напряжения: a 0–2 В, b 0–200 В

Как показано на вставке к рис. 6, обратное напряжение пробоя RB-CRD составляет 260 В при 25 ° C. Соответствующее среднее критическое электрическое поле рассчитано равным 0,65 МВ / см. Зависимый от температуры обратный I-V Характеристики RB-CRD показаны на рис. 6. Повышение температуры окружающей среды с 25 до 300 ° C приводит к увеличению тока утечки на два порядка.

Обратное смещение, зависящее от температуры I - V характеристики РБ-ЦРД

Выводы

В заключение, впервые был успешно продемонстрирован новый RB-CRD AlGaN / GaN-на-Si с канавочным анодом Шоттки и гибридным канавочным катодом. Изготовленный RB-CRD показывает V _К 1,3 В, прямое рабочее напряжение более 200 В и обратное напряжение пробоя 260 В. Превосходная точность, а также небольшой отрицательный температурный коэффициент менее - 0,152% / ^o C были получены для RB-CRD. Многофункциональный RB-CRD с высокой точностью имеет большой потенциал для включения в развивающиеся системы силовой электроники на основе GaN.

Сокращения

2DEG:

Двумерный электронный газ

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

RB-CRD:

Диод, регулирующий обратный ток блокировки

SBD:

Диод с барьером Шоттки