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Ge-도핑된 수직 GaN 쇼트키 배리어 다이오드의 복구 성능

초록

수직 GaN 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)는 Ge가 도핑된 독립형 GaN 기판에 제작되었습니다. SBD의 결정 품질은 음극 발광 측정에 의해 특성화되었으며 전위 밀도는 ~ 1.3 × 10 6 인 것으로 결정되었습니다. cm − 2 . 전기적 성능 측정을 수행한 SBD는 낮은 턴온 전압 V을 나타냅니다. 켜기 (0.70~0.78 V) 및 고전류 I 켜기 /나 꺼짐 비율(9.9 × 10 7 ~1.3 × 10 10 ). 역회복 특성을 조사하였다. 역 회복 시간은 100-, 200-, 300-, 400-, 500-μm 직경의 SBD에 대해 각각 15.8, 16.2, 18.1, 21.22 및 24.5 ns인 것으로 나타났습니다. 한편, 역회복 시간과 역회복 전하는 모두 전극 면적과 유의한 양의 상관관계를 보였다.

소개

최근 GaN과 같은 광대역반도체는 고유의 장점을 가지고 있어 차세대 전자소자, 특히 고주파, 고전력, 고성능 분야에서 엄청난 연구 주목을 받고 있다[1,2,3 ,4,5,6]. 한편, 수소화물 기상 에피택시(HVPE)의 개발 덕분에 낮은 전위 밀도(≤ 10 6 cm − 2 ) GaN 기판은 현재 상업적으로 이용 가능합니다[7,8,9,10]. 측면 장치와 비교하여 이러한 기판으로 제조된 수직형 장치는 시스템에 대한 더 큰 전류, 더 적은 누설 경로 및 더 나은 신뢰성을 달성하는 데 도움이 되는 보다 진보된 구조로 간주됩니다[11, 12]. 그 중 GaN 기반 SBD(Schottky Barrier Diode)는 스위칭 소자의 핵심 부품이다. 바이폴라 다이오드와 달리 유니폴라 특성을 가진 SBD는 소수 캐리어 저장 효과를 크게 줄이고 그에 따라 낮은 역회복 손실로 높은 스위칭 속도를 제공합니다. 그러나 수직 GaN SBD[13,14,15,16,17]에 대한 역 회복 특성에 대한 체계적인 연구를 수행한 그룹은 거의 없으며, 그 중 연구는 다른 구조 장치의 스위칭 시간 비교에 더 중점을 둡니다. 따라서 GaN SBD, 특히 수직형 SBD의 복구 성능 메커니즘에 대한 심층 조사가 여전히 시급합니다.

한편, 오믹 접촉 기술은 많은 출판된 논문[18]에서 소자 성능을 향상시키기 위해 지속적으로 탐구되어 왔으며, 고농도 도핑된 n형 GaN은 질화물 소자 제조를 위한 핵심 링크입니다. 최근에 Ge는 GaN에서 Si 도펀트의 대안으로 제안되는데, 그 이유는 둘 다 얕은 수준의 불순물(활성화 에너지는 Ge 및 Si에 대해 각각 20 및 17 meV로 보고됨)의 유사한 특성을 공유하고 격자 왜곡이 발생하기 때문입니다. Ga 사이트로 대체되는 Ge 원자에 의해 이온 반경이 ​​더 가깝기 때문에 더 작을 것입니다[19, 20]. Ge 도핑은 결함이 적은 매끄러운 표면을 형성하는 것으로 믿어집니다[21, 22]. 또한 격자 왜곡과 필름 응력이 낮기 때문에 이 도핑은 열 안정성을 더 강조하는 고온 전자 장치에서도 가능성을 보여줍니다. Ge가 도핑된 GaN이 이론적으로 연구되었지만 관련 장치에 대한 실제 영향을 조사하는 것이 필수적입니다. 이 논문에서는 Ge가 도핑된 FS(free-standing) GaN 기판 위에 제작된 새로운 수직 GaN SBD를 제안합니다. 수직 GaN SBD는 우수한 결정 품질과 전자 특성을 나타냅니다. 한편, 수직 SBD의 복구 성능은 체계적으로 조사됩니다. 역회복 시간과 역회복 전하는 최종적으로 전극 면적과 상당한 양의 상관관계를 나타냅니다.

방법 및 실험

제작된 SBD의 장치 구조 개략도는 그림 1a에 표시되어 있으며 주로 390μm FS n + 으로 구성됩니다. -GaN 기판 및 9μm n - -GaN 드리프트 층. 이 연구에서, Ge 농도가 1 × 10 18 인 (0001) 배향 GaN 기판층 cm − 3 1 × 10 6 의 전위 밀도 cm − 2 HVPE에 의해 재배되었습니다. 그리고 이 기판의 도핑되지 않은 에피택셜 층은 ~ 2 μm/h의 성장률로 금속 유기 화학 기상 증착에 의해 성장되었습니다. SBD 제조를 위해 GaN 기판의 후면에 Ti/Al/Ni/Au 옴 접촉을 형성했습니다. Ni/Au 쇼트키 전극은 그림 1b와 같이 5가지 직경(100, 200, 300, 400, 500 μm)으로 에피택셜 층의 전면에 형성되었습니다. 제작 과정에 대한 자세한 내용은 이전 보고서[23, 24]에서 확인할 수 있습니다.

<그림>

아 제작된 수직 SBD의 개략적인 단면. ㄴ 다른 전극의 광학 현미경 이미지. ㄷ 에피택시 층의 Panchromatic CL 이미지

에피택셜 층에 대한 전위 밀도의 공간적 분포를 연구하기 위해 10kV 가속 전압으로 Quanta 400 FEG 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 음극 발광(CL) 이미지를 얻었습니다. 커패시턴스-전압(C-V ) 및 전류-전압(I-V ) SBD의 전자 특성을 평가하기 위해 Keithley 4200 반도체 매개변수 분석기를 사용하여 측정을 수행했습니다. 그리고 온도 의존적 ​​측정은 맞춤형 실험 설정으로 300 ~ 500 K 범위에서 수행되었습니다.

결과 및 토론

에피택셜 층의 CL 결과는 그림 1c에 나와 있습니다. 전위는 비방사성 재결합 중심으로 여겨져 CL 영상에 암점 형태로 나타난다. 눈에 띄는 공간 분포 차이가 관찰되지 않기 때문에 전위 밀도의 평균 값은 ~ 1.3 × 10 6 으로 계산되었습니다. cm − 2 , 여러 다른 지역에서 CL 측정이 수행되었습니다. 이 결과는 수직 SBD에 대해 고품질 에피택시 층이 획득되었음을 나타냅니다.

수직 SBD가 병렬 모드로 특성화됨에 따라 C-V 및 G-V 곡선은 1 MHz 주파수로 얻어졌습니다. SBD의 결과는 각각 그림 2a와 b에 나와 있습니다. 여기서 (1/C 2 ) 대 인가 전압 V 인세트에 그려져 있습니다. 여기서, 캐리어 농도 N d 다음 식으로 평가할 수 있습니다. \( {N}_d=\frac{-2}{A^2 q\varepsilon \left[d\left(1/{C}^2\right)/ dV\right]} \), 여기서 A 쇼트키 전극의 면적, q 전자 전하(1.602 × 10 − 19 ) C) 및 ε 는 GaN의 유전 상수(8.854 × 10 − 11 ) F/m). 따라서 N d 에피택셜 층의 ~ 6.2 × 10 15 로 결정되었습니다. cm − 3 . 그리고 위상각 θ 또한 다음 방정식으로 계산할 수 있습니다. \( \theta ={\tan}^{-1}\left(\frac{2\pi fC}{G}\right) \), 여기서 f 적용된 주파수, C 는 커패시턴스이고 G 측정된 컨덕턴스(게이트 누설)입니다. 다른 직경에 대한 결과는 유사하므로 계산된 각도 θ 대인가 전압 V 300μm 직경의 SBD 중 하나가 그림 2b의 삽입 부분에 예시로 나와 있습니다. θ 가 90°에 매우 가깝기 때문에 이 연구에서 누설 경로가 낮은 우수한 쇼트키 게이트가 달성되었음을 확인합니다. J-V 특성은 그림 2c에도 나와 있습니다. 나 켜기 /나 꺼짐 비율은 3.8 × 10 9 입니다. , 5.9 × 10 8 , 1.3 × 10 10 , 6.5 × 10 8 및 9.9 × 10 7 100-, 200-, 300-, 400- 및 500-μm 직경 SBD에 대해 각각, 그 중 I 켜기 그리고 나 꺼짐 는 각각 1.6 및 − 2 V의 게이트 전압에서의 전류로 정의됩니다. 선형 피팅 후 턴온 전압 V 켜기 수직 SBD의 0.70, 0.76, 0.72, 0.70 및 0.78 V로 결정되었으며 전극 직경은 100에서 500 μm로 증가했습니다. 이러한 결과는 수직 SBD에 대해 우수한 전자 속성을 얻었음을 나타냅니다.

<그림>

아 실온 C-V 1 MHz의 주파수에서 각각의 다른 전극에 대한 수직 SBD의 곡선. 삽입은 (1/C 2 ) 대 전압 V . ㄴ G-V 각각의 다른 전극에 대한 수직 SBD의 곡선. 삽입은 위상각 θ의 플롯입니다. 대 전압 V 300μm 직경의 SBD용. ㄷ J-V 서로 다른 전극에 대한 수직 SBD 곡선

그림 3a와 같이 수직 SBD의 역회복 특성을 측정하기 위해 일반적인 테스트 회로를 사용했습니다. 주기적인 구형파 전압 신호(+ 20 ~ - 20 V)는 기생 인덕터가 자기 에너지를 저장하고 전류에 영향을 미치는 테스트 대상 장치(DUT)에 순차적으로 적용되었습니다. 전압 신호가 변경되면 해당 기간 동안 발진 전류가 발생할 수 있습니다. 수직 SBD의 과도 전류 변동을 감지하기 위해 텍트로닉스 MDO 4104-3 오실로스코프가 있는 고속 전류 프로브를 배치했습니다. 역회복 전류의 개략적인 파형은 그림 3b와 같이 본 연구에서는 t 아 t 동안 저장 시간으로 정의됩니다. b 역전류 지연 시간으로 정의됩니다. 그리고 역회복 시간 T 으르르 역전류가 최대 역회복 전류 I의 10%까지 회복되는 시간으로 정의 RM , 이는 t의 합입니다. 아 그리고 t b . 그리고 역회복 요금 Q 으르르 T까지 역전류를 적분하여 얻습니다. 으르르 이는 다이오드에 축적된 전하에 해당합니다.

<그림>

아 수직 SBD의 역회복 특성을 측정하는 데 사용되는 테스트 회로입니다. ㄴ 수직 SBD의 역회복 특성의 개략 파형

그림 4는 인가 전압이 + 20에서 - 20 V로 전환될 때 각 전극 직경에 대한 수직 SBD의 역 회복 곡선을 보여줍니다. , T 으르르 값은 15.8, 16.2, 18.1, 21.22 및 24.5 ns인 반면 Q 으르르 값은 각각 0.0127, 0.0536, 0.150, 0.280, 0.405nC로 통합되었습니다. 이러한 수직 장치는 모두 빠른 스위칭 시간(25 ns 미만)을 나타냈습니다. 결과에서 상당히 낮은 역전류도 관찰되는데, 이는 SBD에 저장된 전하량이 더 적기 때문일 수 있습니다[13]. 한편, T의 가치도 분명히 알 수 있다. 으르르 및 Q 으르르 전극의 직경이 커질수록 둘 다 증가하며 가장 작은 것이 가장 빠른 T를 나타냅니다. 으르르 15.8 ns.

<그림>

서로 다른 전극에 대한 수직 SBD의 역회복 전류

이러한 변화의 기본 메커니즘을 추가로 조사하기 위해 전압이 + 10에서 - 10 V로 전환될 때 수직 SBD도 측정되었습니다. 역 회복 시간 T 으르르 대 다이오드 직경 d T의 값은 그림 5에 표시됩니다. 으르르 각 다이오드에 대해 눈에 띄게 변경되지 않았습니다. 역회복 요금 Q 으르르 d 대 두 곡선의 데이터가 동일한 추세를 가리키는 그림 6에 동시에 표시됩니다. 한편 주목할만한 것은 Q 으르르 두 테스트 모두 d와 상당한 양의 상관관계를 보여줍니다. 2 , 즉 전극 영역입니다.

<그림>

역 회복 시간 T 으르르 대 전극 직경 d

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역 복구 요금 Q 으르르 대 전극 직경 d

실제로 역회복 효과는 주로 SBD의 기생 인덕턴스와 인터페이스 트래핑에서 발생한다고 보고되었습니다[25, 26]. 기생 인덕턴스의 기여는 이러한 역회복 곡선에서 분명히 관찰되지 않는 발진 전류의 형태로 특성화되므로 역 회복 시간과 역 회복 전하의 변화는 트랩에서 기인해야 한다[27, 28]. 트랩의 농도는 수직 SBD에서 균일하므로 Q 으르르 그림 6과 같이 장치의 접촉 면적에 따라 달라지며 최종적으로 전극 면적과 함께 증가합니다. 따라서 트랩은 계면에서 전기장 스토퍼 역할을 합니다. t 동안 아 기간 동안 지연은 쇼트키 접합에서 캐리어 트래핑의 영향을 크게 받았지만 t b 이 기간 동안 역 회복 속도는 저장된 전하를 접합에서 쓸어내는 시간만큼 느려집니다. 이 결과는 RC 시정수는 장치 직경이 증가함에 따라 증가하고 역 회복 시간과 좋은 의존성을 나타냅니다. 그리고 이러한 장치에서 더 작은 전극이나 더 얇은 드리프트 층에서 역 회복 특성의 추가 개선을 기대할 수 있습니다.

또한, 수직 SBD의 복구 성능은 더 높은 온도에서 추가로 조사됩니다. 그림 7은 각각 300, 400, 500 K에서 측정된 500μm 직경의 GaN SBD에 대한 역 회복 전류를 보여줍니다. 역 회복 시간이나 역 회복 전하 모두 온도 상승에 따라 변화하지 않습니다. 트랩의 농도가 온도에 그다지 민감하지 않기 때문에 이러한 결과는 위의 분석과 일치합니다. 반대로, Si 기반 SBD의 역회복 시간은 온도가 300에서 425 K로 상승함에 따라 191% 증가하는 것으로 보고되었습니다[17]. 여기서 짧은 캐리어 수명과 더 넓은 밴드갭으로 GaN SBD는 전류 처리 기능, 역 회복 및 에너지 손실에서 상당한 개선을 제공하는 것으로 나타났습니다. GaN 기반 SBD의 열 안정성이 기존의 좁은 밴드갭 반도체보다 우수하기 때문에[30], GaN도 고온 환경에 적용되는 스위칭 소자에 적합한 재료라고 결론지을 수 있습니다.

<그림>

각각 300, 400 및 500 K에서 측정된 500μm 직경 SBD의 역회복 특성

결론

요약하면, 우리는 HVPE에 의해 성장된 Ge 도핑된 FS GaN 기판에 수직 GaN SBD를 제작했습니다. 재료 특성화 및 전류-전압 측정을 수행한 결과, 수직 SBD에 대해 우수한 결정 품질 및 전자 특성이 얻어졌음을 나타냅니다. 역회복 특성을 체계적으로 조사하였다. 역 회복 시간은 100, 200, 300, 400, 500μm 직경 다이오드에 대해 각각 15.8, 16.2, 18.1, 21.22 및 24.5 ns인 것으로 나타났습니다. 한편, 역회복 시간과 역회복 전하는 모두 전극 면적과 유의한 양의 상관관계를 보였다. 우리의 결과는 GaN 기반 SBD의 복구 성능을 더욱 향상시키기 위한 참고 자료가 될 수 있습니다.

약어

CL:

음극 발광

C-V :

커패시턴스-전압

DUT:

테스트 중인 장치

FS:

독립형

GaN:

질화갈륨

HVPE:

수소화물 기상 에피택시

I-V :

전류-전압

SBD:

쇼트키 배리어 다이오드

SEM:

주사 전자 현미경


나노물질

  • 금속
  • 수지
  • 섬유
  • 복합재료
  • 나노물질
  • 고분자 재료
  • 생물학
  • 물든 색
  • 향료
    1. 다이오드
    2. 양자 장치
    3. 특수용 다이오드
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