Высокоточный AlGaN/GaN обратноблокирующий токорегулирующий диод с гибридным траншейным катодом

Аннотация

Новый AlGaN/GaN латеральный обратноблокирующий токорегулирующий диод (RB-CRD) с траншейным Шоттки анодом и гибридным траншейным катодом экспериментально реализован на кремниевой подложке. Интегрированный Шоттки барьерный диод (SBD) выдает напряжение включения 0,7 В и обратное пробойное напряжение 260 В. Гибридный траншейный катод функционирует как токорегулирующий диод (CRD) в последовательном соединении с анодным SBD, давая коленный напряжение 1,3 В и прямую работу выше 200 В. RB-CRD поддерживает стабильный выходной ток в диапазоне 25–300 °C, с малым отрицательным температурным коэффициентом менее –0,152%/°C.

Введение

Широкополосные полупроводники перестраивают высоковольтную, высокочастотную и высокотемпературную электронику. GaN выделяется благодаря своей большой запрещенной зоне, высокой подвижности электронов и критическому электрическому полю [1–5]. Спонтанная и пьезоэлектрическая поляризация AlGaN/GaN гетероинтерфейса создает высокоплотный двумерный электронный газ (2DEG), позволяя низкоомным устройствам с высокими пробойными напряжениями. GaN-на-Si платформа объединяет эти преимущества со зрелостью и стоимостью кремниевых пластин и CMOS процессов [6–8], и широкий спектр мощностных устройств уже продемонстрирован на этой подложке [9–16]. Добавление новых функциональных устройств, таких как RB-CRD, может расширить прикладное пространство и ускорить коммерциализацию AlGaN/GaN-на-Si технологий.

RB-CRD, изображенный на рис. 1a, объединяет траншейный Шоттки анод с гибридным траншейным катодом. Устройство ведет себя как SBD в последовательном соединении с CRD. Одно перспективное применение — зарядка батарей (рис. 1b): CRD поставляет постоянный ток батарее, в то время как обратно-смещенный SBD предотвращает обратный разряд, когда входное напряжение падает ниже напряжения батареи [17–19].

a Схема поперечного сечения RB-CRD. b Электрическая схема зарядки батареи с использованием RB-CRD.

Методы

Эпитаксиальный AlGaN/GaN стек рос на 6-дюймовой (111) Si металорганическим химическим осаждением из паровой фазы (MOCVD). Состав слоев: 2 нм GaN кап, 23 нм AlGaN барьер, 1 нм AlN интерслой, 300 нм GaN канал и 3,5 мкм буфер. Холловские измерения показывают 2DEG плотность 9,5×10¹² см⁻² и подвижность 1500 см²/В·с. Фабрикационная последовательность (рис. 2) начинается с мелкого траншея, вытравленного низкоэнергетическим Cl₂/BCl₃ ICP процессом (7 нм/мин при 20 Вт RF, 60 Вт ICP, 5 сccm Cl₂, 10 сccm BCl₃). Меза изоляция и анодное траншейное выравнивание следуют. Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 нм) омические контакты депонируются электронно-лучевым испарением и отжигаются при 880 °C в течение 35 с в N₂, давая омическое сопротивление 1,1 Ом·мм и квадратное сопротивление 400 Ом/□. Наконец, Ni/Au (50/300 нм) Шоттки стек депонируется. Анод-катод интервал (L_AC) 4 мкм; омическая контактная длина (L_O) 0,5 мкм; Шоттки контактная длина (L_S) 1 мкм, с нависом (L_E) 0,5 мкм.

Процессный поток производства RB-CRD

a AFM изображения катодного траншея. b Профиль высоты, взятый из катодного траншея.

Результаты и обсуждение

AFM визуализация (рис. 3a) раскрывает замечательно гладкое дно траншея с шероховатостью 0,3 нм, идеальное для надежного металл-полупроводник контакта. 17 нм глубина траншея оставляет 8 нм AlGaN барьер, обеспечивая, что 2DEG остается активным при нулевом смещении (рис. 3b).

Работа RB-CRD может быть визуализирована в трех режимах смещения (рис. 4). При нулевом смещении устройство ведет себя как Шоттки-дренажный деплеционно-режимный HEMT. С отрицательным анодным смещением анодный SBD обратно-смещен и устройство блокирует ток, действуя как обратно-смещенный SBD. Когда анодное напряжение превышает SBD включение (≈1 мА/мм), электроны текут от катодного омического контакта к анодному Шоттки контакту; одновременно катодный Шоттки переход обратно-смещен, обедняя 2DEG под Шоттки областью и направляя ток к насыщению. Этот саморегулируемый токовый поток дает стабильный выходной ток.

Схема механизма работы RB-CRD под a нулевым смещением, b обратным смещением и c прямым смещением.

Температурно-зависимые прямые ВАХ (рис. 5a) показывают коленное напряжение (V_k) 1,3 В при 80% регулирующего тока, превосходящие ранее сообщенные CRD (≈0,6 В) [20, 21] из-за дополнительного 0,7 В падения на анодном SBD. По мере роста температуры от 25 °C до 300 °C напряжение включения SBD смещается вниз, согласуясь с термоионной теорией эмиссии. Устройство поддерживает стабильный ток до 200 В (рис. 5b), превосходя коммерческие Si-основанные CRD [22–24]. При 25 °C отношение тока I_{200 В}/I_{25 В} составляет 0,998, подтверждая исключительную стабильность. Термическая стабильность дополнительно подчеркивается температурным коэффициентом менее –0,152%/°C, выведенным из I-T зависимости \(\alpha=\frac{I_1-I_0}{I_0(T_1-T_0)}\times100\%\).

Температурно-зависимые прямые ВАХ RB-CRD. Диапазоны анодного напряжения: a 0–2 В, b 0–200 В.

Обратное пробойное напряжение пикует при 260 В при 25 °C, соответствующее среднему критическому электрическому полю 0,65 МВ/см. Однако обратный утевочный ток растет на два порядка при повышении температуры до 300 °C, как показано на рис. 6.

Температурно-зависимые обратные ВАХ RB-CRD.

Заключение

Мы представили первый-of-its-kind AlGaN/GaN-на-Si RB-CRD, объединяющий траншейный Шоттки анод с гибридным траншейным катодом. Устройство достигает коленного напряжения 1,3 В, надежно работает выше 200 В и выдерживает 260 В обратного пробоя. Его выходной ток показывает замечательную точность с отрицательным температурным коэффициентом ниже –0,152%/°C. Эти атрибуты позиционируют RB-CRD как сильного кандидата для электроники мощности следующего поколения на GaN, особенно в зарядке батарей и других приложениях постоянного тока.

Аббревиатуры

2DEG:

Двумерный электронный газ

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

ICP:

Индуктивно-связанная плазма

MOCVD:

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы

RB-CRD:

Обратноблокирующий токорегулирующий диод

SBD:

Шоттки барьерный диод