Диод Шоттки с двойной гетероструктурой AlGaN/GaN на Si: комбинированный теоретический и экспериментальный анализ

Аннотация

Диод Шоттки с барьером (SBD) AlGaN/GaN с двойной гетероструктурой теоретически и экспериментально исследуется на структуре GaN/AlGaN/GaN/Si-подложка. Двумерное дырочное газ (2DHG) и электронное газ (2DEG) формируются на интерфейсах GaN-верх/AlGaN и AlGaN/GaN соответственно. В выключенном состоянии 2DEG и 2DHG частично истощаются, а затем полностью исчезают. Остаются фиксированные положительные и отрицательные поляризационные заряды, формирующие поляризационный p-n переход. Следовательно, достигается плоское электрическое поле в дрейфовой области и высокое пробойное напряжение (BV). Более того, анод углублен для снижения напряжения включения (V_ON). Низкоущербный процесс ICP травления приводит к улучшенным Шоттки контактам, и получается низкий ток утечки и низкое V_ON. Изготовленный SBD демонстрирует BV 1109 В при расстоянии анод-катод (L_AC) 11 мкм. Изготовленные SBD достигают низкого V_ON 0,68 В с хорошей однородностью, высоким отношением токов включения/выключения ~10¹⁰ при комнатной температуре, низким удельным сопротивлением в открытом состоянии (R_ON,SP) 1,17 мОм·см² и высокой фигурой mérita Балиги (FOM) 1051 МВт/см².

Введение

Латеральный диод на основе гетероструктуры AlGaN/GaN является привлекательным устройством благодаря высокой подвижности электронов двумерного электронного газа (2DEG), высокой насыщенной скорости электронов и высокому пробойному электрическому полю. Прилагаются обширные усилия для достижения низкого напряжения включения (V_ON), низкого обратного тока утечки и высокого пробойного напряжения (BV) для GaN диодов, используемых в преобразователях и инверторах для источников питания и коррекции коэффициента мощности. Различные подходы предложены для решения неравномерного распределения электрического поля. Один из них — технология полевая пластина (FP). Полностью углубленный анод SBD с двойной полевой пластиной достигает высокого пробойного напряжения 1,9 кВ при L_AC 25 мкм. Он также может значительно снизить напряжение включения, сохраняя высокое пробойное напряжение. Кроме того, концепция RESURF (REduced SURface Field), обычно используемая в кремниевой технологии, была продемонстрирована в GaN HEMT. Более того, поляризационный p-n переход (PJ), состоящий из двумерного дырочного газа (2DHG) над 2DEG, предлагается для улучшения соотношения между удельным сопротивлением в открытом состоянии (R_ON,SP) и BV. GaN-устройства на основе концепции PJ были продемонстрированы на сапфировых и SiC подложках, в то время как высокая стоимость и малые диаметры GaN на SiC подложках противоречат массовому коммерческому применению. GaN-on-Si с большим диаметром рассматривается как перспективный выбор благодаря низкой стоимости. Поэтому производительность PJ диода на кремниевых подложках заслуживает изучения.

В данной работе мы предложили и экспериментально продемонстрировали диод Шоттки с барьером GaN/AlGaN/GaN-on-Si с двойной гетероструктурой (DJ). Эффект поляризационного p-n перехода подтверждается симуляциями и экспериментами. Достигается плоское электрическое поле (E-field) между анодом и катодом электродами. Процесс ICP травления Шоттки траншеи оптимизирован для достижения низкого обратного тока утечки и низкого V_ON с отличной однородностью травления. Процесс омического контакта также оптимизирован для достижения низкого контактного сопротивления (для 2DEG) на основе кастомизированного эпитаксиального слоя (с 45 нм GaN-верх). Следовательно, пробойное напряжение 1109 В достигается для SBD с L_AC 11 мкм, а фигура mérita Балиги (FOM) составляет 1051 МВт/см². Температурная зависимость и динамическая характеристика R_ON,SP также исследуются.

Метод и эксперимент

Эпитаксиальный слой выращивали металлоорганическим химическим осаждением из паровой фазы (MOCVD) на 6-дюймовом p-типе кремнии, состоящем из 3,5 мкм GaN буферного слоя, 150 нм GaN канального слоя, 1 нм AlN промежуточного слоя, 45 нм Al₀,₂₅Ga₀,₇₅N барьерного слоя и 45 нм GaN-верхнего слоя снизу вверх. GaN-верхний слой включает 35 нм p-GaN слой и 10 нм нелегированного GaN слоя. Для заданной толщины AlGaN 45 нм, плотность 2DHG увеличивается с увеличением толщины GaN-верхнего слоя. Толстый GaN-верхний слой важен для высокой плотности 2DHG, в то время как он идет вразрез с низким омическим контактным сопротивлением (для 2DEG). Схематические виды предложенного диода Шоттки с двойной гетероструктурой (DJ SBD) показаны на рис. 1a. Фабрикация SBD начиналась с изоляции мезы Cl₂/BCl₃-базированным индуктивно связанным плазменным (ICP) травлением на глубину 300 нм. Затем омическая траншея и анодная Шоттки траншея формировались низкоущербным процессом ICP травления. Глубина омической траншеи и анодной Шоттки траншеи составляла 50 нм и 90 нм соответственно, что подтверждалось атомно-силовой микроскопией (AFM). Раствор тетраметиламмоний гидроксида (TMAH) при 85 °C в течение 15 мин вводили для удаления послетравляющих остатков и модификации боковой стенки траншеи после завершения процесса травления. Затем отжиг при 400 °C в течение 10 мин в атмосфере N₂ проводился. Омический катод впоследствии формировался e-beam испарением Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 нм), отжигали при 870 °C в течение 35 с в атмосфере N₂, с контактным сопротивлением (R_C) 0,49 Ом·мм. Наконец, анодный металл и межсоединения осаждали Ni/Au для завершения потока фабрикации. Устройства имели различные L_AC от 7 до 11 мкм. Рис. 1b показывает высокоразрешающее поперечное сечение TEM изображения анода после ICP и осаждения металла, и структура слоев была четко замечена.

2DEG индуцируется положительными поляризационными зарядами вдоль интерфейса AlGaN/GaN. Верхний интерфейс GaN/AlGaN имеет отрицательные поляризационные заряды и поэтому генерирует 2DHG на верхнем интерфейсе. Зазор между дрейфовой областью и катодом (L₁) используется для отсечения траектории дырочного тока, как показано на рис. 2. Мы исследовали только влияние L₁ от 2 до 3 мкм на прямые и обратные блокирующие характеристики из-за ограничения исходного дизайна макета. V_ON и R_ON,SP не показывают изменений, потому что L₁ не влияет на Шоттки контакт и путь электронного тока. Кроме того, BV незначительно снижается с увеличением L₁ из-за сокращения дрейфовой области. Механизм работы DJ SBD под прямой полярностью почти такой же, как у обычных SBD, означая, что 2DHG едва влияет на путь электронного тока от катода к аноду. С увеличением обратного смещения 2DEG и 2DHG полностью истощаются. Остаются фиксированные положительные и отрицательные поляризационные заряды, которые формируют поляризационный p-n переход. В результате получается плоское распределение E-поля между катодом и анодом (рис. 3).

Как показано на рис. 3, пробойная характеристика и механизм поляризационного p-n перехода подтверждались 2-D Sentaurus TCAD от Synopsys. Мы учли несколько важных физических явлений в симуляции, включая сужение запрещенной зоны, поляризацию, подвижность электронов/дыр, импакт-ионизацию и SRH рекомбинацию.

Измерение эффекта Холла использовалось для определения плотности и подвижности 2DHG или 2DEG. Измерения выполнялись методом Ван дер Пау при комнатной температуре. Для измерения 2DHG согласно ссылке, образцы Холла изготавливались с Ni/Au омическими контактами. Плотность и подвижность 2DHG составляли 9 × 10¹² см⁻² и 15 см²/В·с соответственно. 2DEG измеряли образцами с углубленным GaN-верхом и частично AlGaN, изготовленными с Ti/Al/Ni/Au омическими контактами (для 2DEG). Плотность и подвижность 2DEG составляли 8,5 × 10¹² см⁻² и 970 см²/В·с соответственно. Измерения Холла показали, что дырочная подвижность все еще намного ниже объемной подвижности более 100 см²/В·с. Деградация подвижности приписывалась диффузии Mg из p-GaN в нелегированный GaN во время MOCVD роста.

Результаты и обсуждение

Измеренные I-V прямые характеристики SBD с различными L_AC показаны на рис. 4a и b. Напряжение включения (V_ON) составляет 0,68 В с небольшим вариацией 0,02 В. Идеальность фактор и высота барьера SBD рассчитаны как 1,44 ± 0,15 и 0,76 ± 0,04 эВ соответственно. Рис. 4a показывает, что высокая плотность прямого тока 183 мА/мм и 144 мА/мм (@ прямое смещение 2,5 В) и сопротивление в открытом состоянии 0,642 и 1,17 мОм·см² достигаются при L_AC = 7 и 11 мкм соответственно. Кроме того, получается отличное отношение токов включения/выключения ~10¹⁰, как показано на рис. 4b. Субпороговый наклон (SS) составляет 63,0 мВ/дек, что близко к идеальному SS (59,6 мВ/дек).

Рис. 5a показывает измеренные обратные блокирующие I-V характеристики SBD с различными L_AC при 300 К. Пробойное напряжение устройств с разными L_AC составляет 803 В, 940 В и 1109 В соответственно при токе утечки 1 мА/мм. Плотности 2DEG и 2DHG предполагаются одинаковыми в симуляции. Однако экспериментальные результаты показывают, что плотности 2DHG (9 × 10¹² см⁻²) слегка выше, чем 2DEG (8,5 × 10¹² см⁻²). Разница между фиксированными положительными и отрицательными поляризационными зарядами в выключенном состоянии влияет на зарядовый баланс и тем самым деградирует пробойное напряжение. Влияние L_AC на BV и R_ON,SP показано на рис. 5b. Получена почти линейная зависимость между BV и L_AC, подразумевающая относительно плоское боковое E-поле в дрейфовой области. Благодаря эффекту поляризационного p-n перехода, устройство демонстрирует высокую фигуру mérita Балиги (FOM = BV²/R_ON,SP) 1051 МВт/см² (@ L_AC = 11 мкм).

Процесс травления жизненно важен для высококачественного Шоттки интерфейса и омического контакта. Рис. 6a показывает поверхностную морфологию углубленной траншеи после ICP травления (@ 5 °C) и раствора TMAH. Скорость травления составляет примерно 4,9 нм/мин, и окончательно выбранный рецепт с Cl₂ 4 sccm, мощностью ICP 50 Вт и RF мощностью 15 Вт. Среднеквадратичная (RMS) шероховатость составляет 0,244 нм при области сканирования 2 × 2 мкм².

Поскольку кастомизированный эпитаксиальный слой включает 45 нм GaN-верхний слой и 45 нм AlGaN слой, процесс омического контакта (для 2DEG) отличается от обычных SBD. Без углубления как GaN-верхнего, так и AlGaN барьерного слоев низкое контактное сопротивление трудно достичь отжигом из-за потенциального барьера между омическим металлом и 2DEG. Однако, если барьер пере-углублен, освобождение напряжения приводит к снижению концентрации 2DEG. Дополнительные процессы принимаются для снижения омического контактного сопротивления. Поверхности образцов обрабатываются раствором HCl для удаления родного оксидного слоя перед осаждением. Кроме того, плазменная обработка поверхности принимается (ICP мощность 50 Вт BCl₃ 10 sccm 3 мин) для введения поверхностных донорских состояний. Рис. 6b демонстрирует зависимость контактного сопротивления от глубины траншеи. Оптимизированная глубина получена от 50 до 55 нм. Высокотемпературный быстрый термический отжиг (RTA) для Ti/Al/Ni/Au контакта исследуется на рис. 6c. Температура отжига от 840 до 890 °C, и 870 °C приводит к наименьшему контактному сопротивлению. Отжиг при высокой температуре, например 870 °C, способствует образованию TiN на интерфейсе Ti/нитрид. Однако более высокая температура (например, 890 °C) увеличивает интердиффузию Au и Al, что неблагоприятно для формирования хороших омических контактов.

Рис. 7a–c демонстрируют статистические графики статических характеристик, включая V_ON, V_F и BV. Данные извлечены из 72 SBD с L_AC 7, 9 и 11 мкм, изготовленных в 3 отдельных процессах. Устройства демонстрируют стабильные прямые характеристики включения, и V_ON независим от L_AC, потому что V_ON в основном определяется Шоттки контактом. Низкоущербный процесс ICP травления, точно контролируемая глубина траншеи и высококачественный Шоттки интерфейс способствуют отличной однородности V_ON и V_F. Кроме того, с увеличением L_AC (от 7 до 11 мкм) наблюдается монотонное увеличение (~100 В/мкм) BV в предложенных структурах. Рис. 7d показывает гистограмму статистики V_ON для 72 устройств, среднее значение составляет 0,68 В с небольшим стандартным отклонением 0,02 В.

Температурная зависимость обратных и прямых характеристик оценивается на рис. 8. Как показано на рис. 8a, увеличение окружающей температуры от 300 до 475 К приводит к увеличению R_ON,SP в 1,94 раза.

Динамические характеристики DJ SBD измеряются анализатором мощных устройств Agilent B1505A. Квиесенсные точки смещения анодного импульса устанавливаются -10 В, -20 В, -30 В, -40 В, -70 В и -100 В, с шириной анодного импульса и периодом 0,5 мс/500 мс. Рис. 9b показывает динамическое R_ON,SP как функцию напряжения стресса. Динамическое R_ON,SP даже при 100 В обратном напряжении стресса составляет всего 1,18 от значения без обратного стресса, что сравнимо с ссылкой. Ограниченное увеличение динамического R_ON,SP способствует снижению интерфейсных состояний. Деградация динамического R_ON,SP требует дальнейшей работы.

Рис. 10 представляет эталонный график BV против R_ON,SP для GaN диодов мощности на Si/SiC/сапфировых подложках. Предложенное устройство с L_AC 11 мкм демонстрирует BV 1109 В с соответствующим R_ON,SP 1,17 мОм·см², ведущее к высокой фигуре mérita Балиги 1051 МВт/см². Это значение является лучшим результатом среди латеральных GaN диодов мощности на Si подложке.

Заключение

Фабрикован двойной гетероструктурный GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBD с высокой фигурой mérita. Низкоущербный процесс ICP травления приводит к оптимизированным омическим и Шоттки контактам для предложенного устройства. Следовательно, низкое V_ON 0,68 В с хорошей однородностью и низкое R_ON,SP 1,17 мОм·см² получены в устройстве с L_AC 11 мкм. Высокая фигура mérita Балиги 1051 МВт/см² достигнута благодаря эффекту поляризационного p-n перехода. Высокая производительность вместе с низкозатратной технологией GaN-on-Si демонстрирует большой потенциал для будущих энергетических применений.