Повышение эффективности β-Ga₂O₃ Шоттки диодов: аргон-имплантированная кромочная терминация увеличивает пробойное напряжение и фигуру мерита

Аннотация

Мы демонстрируем, что кромочно-терминированные Au/Ni/β-Ga₂O₃ Шоттки барьерные диоды, fabriкованные с фокусированным аргон-имплантационным шагом, достигают замечательного роста обратного пробойного напряжения и фигуры мерита Балиги (FOM). Варируя имплантационную дозу от 5×10¹⁴ см⁻² до 1×10¹⁶ см⁻² при 50 кэВ, пробойное напряжение увеличивается от 209 В до 252 В и 451 В (с максимальным измеренным значением 550 В). Соответственно, FOM улучшается от 25,7 до 30,2 и 61,6 МВт/см², представляя 17,5% и 140% улучшений соответственно. 2D устройственные симуляции подтверждают, что высокоомный аморфный слой, произведенный аргон ионами, сглаживает пик электрического поля от анодного угла к региону под имплантацией, снижая field crowding. Температурно-зависимые прямой смещения измерения дальнейшим иллюстрируют стабильную производительность по широкому термическому диапазону.

Введение

Ультра-широкозонные полупроводники такие как β-Ga₂O₃, AlN и алмаз быстро продвигают ландшафт высоковольтной электроники. β-Ga₂O₃ предлагает исключительную запрещенную зону 4,8-4,9 эВ и теоретическое пробойное поле ~8 МВ/см, превосходящее 4H-SiC и GaN в три и четыре раза соответственно. Его фигура мерита Балиги достигает 3400, на порядок выше SiC и в четыре раза выше GaN, позиционируя его как главный кандидат для низкопотерь, высоковольтных коммутационных устройств.

Большие площади, стоимостно-эффективные β-Ga₂O₃ однокристаллы могут выращиваться floating-zone (FZ) или edge-defined film-fed growth (EFG). Допирование Sn, Si или Ge позволяет настраивать электронную плотность от 10¹⁶ до 10¹⁹ см⁻³, позволяя проектировать устройства с адаптированной проводимостью. Шоттки барьерные диоды (SBD) из β-Ga₂O₃ эксплуатируют быструю коммутацию и низкий прямой падение материала, тем самым улучшая эффективность преобразования мощности.

Несмотря на рекордные пробойные напряжения 1,016 кВ, 2,3 кВ и 1,6 кВ в un-terminated β-Ga₂O₃ SBD, эти значения не достигают теоретических 34%, 8% и 10% идеального предела. Кромочная терминация поэтому необходима для снятия electric-field crowding и раскрытия полного потенциала материала. Конвенциональные подходы такие как field plates, floating rings, trench MOS и junction termination extension (JTE) неэффективны в β-Ga₂O₃ из-за его внутреннего отсутствия p-типа допинга. Вместо этого аргон-имплантация выступила простой, литографий-свободной техникой для формирования высокоомного аморфного слоя на краю анода, эффективно сглаживающей распределение поля и успешно применяемой в SiC и GaN выпрямителях.

В этой работе мы fabriкуем вертикальные кромочно-терминированные β-Ga₂O₃ SBD с аргон имплантацией на периферии Шоттки контакта и систематически оцениваем их электрические характеристики и полевое распределение.

Методы/Экспериментальная часть

10-мкм дрифтовый слой механически эксфолирован из высокочистого Sn-допированного (100) β-Ga₂O₃ объемного, выращенного EFG. Высокоразрешающая рентгеновская дифракция (HRXRD) и атомно-силовая микроскопия (AFM) подтвердили исключительное кристаллическое качество (FWHM = 37,4 угл. сек, RMS = 0,203 нм). Четырехточечные измерения дали поверхностное сопротивление 563 Ом/квадрат, соответствующее электронной подвижности 85-95 см²/В·с при носительной концентрации 1,3×10¹⁷ см⁻³.

Задняя аргон имплантация (50 кэВ, 2,5×10¹⁴ см⁻²) за которой следовал 950 °C, 60-мин отжиг в N₂ произвели равномерный n-тип омический контакт. После осадки Ti/Au (20 нм/100 нм) стека и быстрого термического отжига (RTA) при 600 °C, 60 с, передняя поверхность паттернили 2-мм фоторезистной маской. Аргон ионы (50 кэВ) затем имплантировали на краю Шоттки с дозами 5×10¹⁴ см⁻² (образец B) и 1×10¹⁶ см⁻² (образец C). 400 °C, 60-секундный RTA в N₂ смягчил имплантационный ущерб и подавил обратную утечку. Наконец, 100-мкм диаметром Ni/Au (30 нм/200 нм) Шоттки аноды определяли стандартной фотолитографией, испарением и lift-off. Референсное устройство (образец A) обрабатывали идентично но без кромочной имплантации.

Поперечно-сечение TEM образца C выявил аморфный β-Ga₂O₃ слой ~50 нм толщиной под имплантационной областью (Рис. 2a). Рисунок 2b показывает фотографию готового устройства. Измерительные схемы для прямого I-V (0-3 В, 10 мВ шаги) и обратного I-V (0 до -500 В, 1 В шаги) иллюстрированы на Рис. 2c,d.

Результаты и обсуждение

1/C²-V кривые для всех трех образцов дали эффективную донорскую концентрацию (1,3±0,04)×10¹⁷ см⁻³ и встроенный потенциал 1,30 эВ. Используя стандартный Шоттки анализ, барьерная высота φb,CV определили как 1,32 эВ. Извлекающие уравнения представлены ниже:

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

Прямые J-V характеристики (Рис. 4a) показывают, что кромочная имплантация не деградирует прямое проведение. Пороговые напряжения остаются в пределах 0,91-0,95 В, и отношение Ion/Ioff превышает 10⁹ при комнатной температуре. Специфические on-сопротивления незначительно увеличиваются от 1,7 до 3,3 мОм·см², в то время как пиковые плотности тока при 2 В остаются выше 600 А/см², сопоставимые или лучшие литературных значений для похожих дрифтовых слоев.

Температурные свипы раскрывают идеальность фактор n, снижающийся от 1,06 до 1,02 и почти постоянную барьерную высоту φb,JV 1,21 эВ, указывая на доминирование термионной эмиссии с минимальным image-force lowering. Richardson plot дает φb = 1,22 эВ и эффективную Richardson константу A* = 48,5 А/см²·К², соответствующую теоретическому диапазону для β-Ga₂O₃ (24-58 А/см²·К²) на базе эффективной массы 0,23-0,34 m₀.

Обратные J-V измерения (Рис. 5a) подтверждают, что аргон имплантация значительно улучшает пробойное напряжение: от 209 В (образец A) до 252 В (образец B) и 451 В (образец C). Соответствующие значения Балиги FOM растут от 25,7 до 61,6 МВт/см², 140% улучшение при наивысшей дозе. Уточные токи слегка выше в имплантированных устройствах, вероятно, из-за остаточного имплантационного ущерба; дальнейшая оптимизация пост-имплантационных отжиг параметров будет изучена в будущей работе.

Статистический анализ 550 В максимального пробойного напряжения по набору образцов подтверждает, что высокоомный кромочный слой успешно смягчает электрические поля пики. 2D симуляции (Рис. 6) с включением 50 нм глубокого mid-gap акцептора и incomplete ionization модели демонстрируют смещение пикового поля от анодного угла к региону под имплантацией, с максимальным полем 5,05 МВ/см — согласующимся с теоретическими пределами и превосходящим SiC и GaN аналоги.

Заключение

Мы успешно fabriковали вертикальные Au/Ni/β-Ga₂O₃ Шоттки диоды с аргон-имплантированной кромочной терминацией. По сравнению с референсным устройством, имплантированные диоды демонстрируют 20-140% увеличение пробойного напряжения и сопоставимое или слегка более высокое on-сопротивление. Наивысшее измеренное пробойное напряжение достигает 550 В, с пиковым электрическим полем 5,05 МВ/см — далеко за пределами лимитов SiC и GaN диодов. Эти результаты подтверждают, что простой, литографий-свободный аргон-имплантационный шаг может раскрыть полный высоковольтный потенциал β-Ga₂O₃ Шоттки устройств.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

EFG:

Edge-defined film-fed growth

FWHM:

Полная ширина на полумаксимуме

FZ:

Floating-zone

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

JTE:

Junction termination extension

MOSFET:

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор

RMS:

Квадратичное среднее

SBD:

Шоттки барьерный диод

TE:

Термионная эмиссия