Быстрое восстановление обратного тока в вертикальных Шотткиевых диодах GaN с легированием Ge

Аннотация

Вертикальные Шотткиевые барьерные диоды (SBD) на GaN, выросшие на Ge-легированных свободностоящих GaN подложках, демонстрируют превосходное кристаллическое качество и электрическую производительность. Катодолюминесцентная визуализация показывает равномерную плотность дислокаций ≈1,3×10⁶ см⁻². Устройства показывают низкое напряжение включения V_on 0,70–0,78 В и отношение I_on/I_off от 9,9×10⁷ до 1,3×10¹⁰. Измерения восстановления обратного тока дают времена 15,8–24,5 нс для диаметров 100–500 мкм, причем и время восстановления, и заряд положительно коррелируют с площадью электрода.

Введение

Широкозонные полупроводники, особенно GaN, стали ключевыми для электроники нового поколения высокой частоты, высокой мощности и высокой производительности. Недавние достижения в эпитаксии гидридной паровой фазы (HVPE) теперь позволяют коммерческий рост низкодислокационных GaN подложек (≤10⁶ см⁻²). Вертикальные устройственные архитектуры на этих подложках предлагают большие плотности тока, уменьшенные пути утечки и повышенную надежность по сравнению с латеральными дизайнами.

GaN-базированные Шотткиевые барьерные диоды — критические компоненты в схемах коммутации мощности. Их униполярная природа устраняет запасание меньшинных носителей, давая высокие скорости коммутации и низкие потери при обратном восстановлении. Однако систематических исследований поведения обратного восстановления в вертикальных GaN SBD остается мало. Эта работа заполняет этот пробел, изготавливая Ge-легированные вертикальные SBD на свободностоящем GaN и строго оценивая их характеристики обратного восстановления.

Ge — привлекательный n-тип донор для GaN, предлагающий неглубокую активацию (≈20 мэВ), сопоставимую с Si, в то время как индуцирует меньше дисторсии решетки из-за своего ионного радиуса. Ge-легирование, по сообщениям, дает более гладкие поверхности и сниженные плотности дефектов, и повышает термическую стабильность — ключевое требование для высокотемпературных устройств. Здесь мы представляем первое систематическое исследование характеристик обратного восстановления в Ge-легированных вертикальных GaN SBD.

Методы и эксперименты

Архитектура устройства показана на рис. 1a: 390-мкм толстый свободностоящий n⁺-GaN подложка, покрытая 9-мкм n⁻-GaN дрифтовым слоем. Подложка, выросшая HVPE, включает 1×10¹⁸ см⁻³ Ge и демонстрирует плотность дислокаций 1×10⁶ см⁻². Эпитаксиальный слой осаждали металло-органической химической эпитаксией (MOCVD) со скоростью ≈2 мкм/ч.

Фабрикация устройств включала Ti/Al/Ni/Au омические контакты на задней поверхности и Ni/Au Шотткиевые электроды на передней, с диаметрами 100, 200, 300, 400 и 500 мкм (рис. 1b). Полные детали процесса доступны в наших ранних отчетах.

CL визуализация выполнялась на Quanta 400 FEG SEM при 10 кВ для картирования распределения дислокаций. Емкостно-вольтметрические (C-V) и вольт-амперные (I-V) измерения проводились на Keithley 4200 анализатере. Температурно-зависимые тесты охватывали 300–500 К с использованием кастомной установки.

Результаты и обсуждение

Рис. 1c показывает CL карту эпитаксиального слоя. Темные пятна указывают на нерадиационные центры дислокаций; их равномерное распределение дает среднюю плотность ≈1,3×10⁶ см⁻², подтверждая высококачественный кристаллический рост.

C-V и G-V кривые записаны при 1 МГц (рис. 2a–b). Из графиков 1/C²-V донорская концентрация N_d ≈6,2×10¹⁵ см⁻³. Фазовый угол θ, вычисленный через tan⁻¹(2πfC/G), остается ≈90°, указывая на минимальную утечку через Шотткиевый барьер (рис. 2b вставка).

J-V характеристики (рис. 2c) показывают отношения I_on/I_off от 9,9×10⁷ до 1,3×10¹⁰ и значения V_on между 0,70 и 0,78 В по всем диаметрам, демонстрируя отличную электронную производительность.

Поведение обратного восстановления измерялось с помощью тестовой схемы на рис. 3a. Прямоугольное напряжение (+20 В до –20 В) управляет устройством; переходный ток захватывается высокоскоростным зондом на осциллографе Tektronix MDO 4104-3. Волна обратного восстановления (рис. 3b) определяет время накопления t_a, задержку обратного тока t_b и время восстановления T_rr (время до 10 % пикового обратного тока). Обратный восстановленный заряд Q_rr получается интегрированием обратного тока до T_rr.

Рис. 4 показывает токи обратного восстановления для всех диаметров электродов. Значения T_rr: 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 и 24,5 нс для 100, 200, 300, 400 и 500 мкм устройств соответственно. Соответствующие Q_rr: 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 и 0,405 нКл. Все устройства достигают суб-25-нс времени восстановления, наименьшее устройство показывает самое быстрое восстановление. И T_rr, и Q_rr увеличиваются с площадью электрода.

Для проверки напряженной зависимости повторили измерение при ±10 В. T_rr остается практически неизменным, в то время как Q_rr продолжает масштабироваться с квадратом диаметра (то есть площадью электрода), как показано на рис. 6.

Доминирующий механизм наблюдаемого поведения — ловушково-медированное запасание, а не паразитная индуктивность. Равномерное распределение ловушек приводит к Q_rr, пропорциональному площади контакта. Следовательно, RC-временная константа растет с диаметром устройства, что объясняет линейный рост T_rr. Уменьшение размера электрода или толщины дрифтового слоя должно еще улучшить восстановление, как подтверждается нашими ранними работами.

Температурная зависимость оценивалась для 500-мкм устройства (рис. 7). Время и заряд обратного восстановления остаются неизменными в диапазоне 300–500 К, указывая на то, что концентрации ловушек нечувствительны к температуре в GaN, в отличие от Si-базированных SBD, где T_rr может увеличиться на >190 % между 300 и 425 К. Превосходная термическая стабильность GaN подкрепляет его пригодность для высокотемпературной коммутации мощности.

Заключение

Мы изготовили вертикальные GaN Шотткиевые барьерные диоды на Ge-легированных свободностоящих подложках, выросших HVPE. Катодолюминесценция и электрические измерения подтверждают высокое кристаллическое качество и отличную электронную производительность. Тесты обратного восстановления показывают времена от 15,8 до 24,5 нс для устройств 100–500 мкм диаметром, с T_rr и Q_rr, положительно масштабирующимися с площадью электрода. Эти находки предоставляют эталон для оптимизации GaN-базированных SBD для высокоскоростных высокотемпературных приложений мощности.

Аббревиатуры

CL

Катодолюминесценция

C-V

Емкостно-вольтметрическая

DUT

Испытываемое устройство

FS

Свободностоящий

GaN

Нитрид галлия

HVPE

Эпитаксия гидридной паровой фазы

I-V

Вольт-амперная

SBDs

Шотткиевые барьерные диоды

SEM

Расканирующий электронный микроскоп