트렌치 쇼트키 양극과 하이브리드 트렌치 음극이 있는 AlGaN/GaN 측면 역차단 전류 조절 다이오드(RB-CRD)가 실리콘 기판에서 제안되었고 실험적으로 시연되었습니다. 애노드에 집적된 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 턴온 전압 0.7 V, 역항복 전압 260 V를 나타내며, 하이브리드 트렌치 캐소드는 애노드 SBD와 직렬 연결된 CRD 역할을 합니다. RB-CRD의 경우 1.3 V의 무릎 전압과 200 V 이상의 순방향 작동 전압을 얻을 수 있습니다. RB-CRD는 25~300 °C의 넓은 온도 범위에서 우수한 정상 전류를 출력할 수 있습니다. 또한 순방향 조정 전류는 - 0.152%/
o
미만의 작은 음의 온도 계수를 나타냅니다. 다.
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배경
와이드 밴드갭 반도체는 차세대 고전력, 고주파, 고온 소자로 주목받고 있다. GaN은 큰 밴드갭, 높은 전자 이동도 및 높은 임계 전기장과 같은 우수한 특성으로 인해 가장 유망한 와이드 밴드갭 반도체 중 하나입니다[1,2,3,4,5]. 또한, 자발 분극과 압전 분극의 조합으로 인해 AlGaN/GaN 이종 계면에서 고밀도 2차원 전자 가스(2DEG)를 얻을 수 있습니다. 이러한 우수한 특성으로 인해 AlGaN/GaN 기반 전력 장치는 높은 항복 전압을 유지하면서 낮은 온 저항으로 작동할 수 있습니다. GaN-on-Si(GaN-on-Si) 플랫폼[6,7,8]은 대구경 실리콘 웨이퍼와 기존의 성숙한 CMOS 제조 공정과의 호환성. 현재까지 다양한 전력 장치[9,10,11,12,13,14,15,16]가 AlGaN/GaN-on-Si에서 시연되었으며 그 중 일부는 상업적으로 이용 가능합니다. 동시에, 새로운 기능을 가진 AlGaN/GaN 장치의 개발은 AlGaN/GaN-on-Si의 응용 가능성을 확장할 수 있으며, 이는 AlGaN/GaN 기술의 광범위한 상업화를 촉진하는 데 도움이 됩니다.
그림 1a에서 볼 수 있듯이 이 작업에서는 역 차단 전류 조절 다이오드(RB-CRD)라고 하는 새로운 유형의 장치가 AlGaN/GaN-on-Si에서 실험적으로 시연되었습니다. RB-CRD는 트렌치 쇼트키 양극과 하이브리드 트렌치 음극이 특징입니다. 트렌치 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 양극에 형성되고 CRD는 하이브리드 트렌치 음극에 형성됩니다. RB-CRD는 CRD와 직렬 연결된 SBD로 볼 수 있다. RB-CRD의 일반적인 적용은 그림 1b와 같이 배터리 충전입니다. 앞서 언급한 배터리 충전 회로에서 CRD는 입력과 배터리 사이의 순방향 전압 변동에 관계없이 배터리를 충전하기 위해 정전류를 출력하는 정전류 소스 역할을 합니다[17,18,19]. 입력 전압이 배터리 전압 아래로 떨어지면 회로의 역 바이어스된 SBD가 배터리 방전을 방지합니다.
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아 RB-CRD의 개략 단면도. ㄴ RB-CRD를 사용한 배터리 충전 회로도
방법
RB-CRD 제조에 사용된 에피택셜 AlGaN/GaN 헤테로구조는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)에 의해 6인치(111) 실리콘 기판에서 성장되었습니다. 에피택셜 층은 2nm GaN 캡, 23nm AlGaN 장벽, 1nm AlN 중간층, 300nm GaN 채널 및 3.5μm 버퍼로 구성됩니다. 홀 효과 측정된 2DEG의 밀도 및 이동도는 9.5 × 10
12
cm
−2
및 1500 cm
2
/V·s. 장치 제조 공정은 그림 2에 나와 있습니다. 먼저 저전력 Cl2에 의해 RB-CRD의 음극에 얕은 트렌치(그림 3 참조)가 에칭되었습니다. /BCl3 - 기반 유도 결합 플라즈마(ICP) 에칭 기술. RF 전력 20 W, ICP 전력 60 W, Cl2에서 개발된 에칭 레시피를 사용하여 7 nm/min의 에칭 속도가 관찰되었습니다. 5sccm의 흐름 및 BCl3 10sccm의 흐름. 그런 다음 동일한 ICP 에칭 기술을 사용하여 300 nm 깊이의 메사 분리를 형성하여 장치를 분리했습니다. 이 공정을 통해 동시에 양극 트렌치를 완성하였다. 그 후, Ti/Al/Ni/Au(20/150/55/60 nm nm) 금속 스택이 전자빔 증발에 의해 증착된 후 N에서 35 초 동안 880 °C에서 급속 열처리 2 주변. ohmic contact resistance 1.1 Ω mm, sheet resistance 400 Ω/square를 전송선로법으로 추출하였다. 마지막으로, 장치 제조 공정은 Ni/Au(50/300 nm) 쇼트키 금속 스택 증착으로 끝났습니다. 양극과 음극 사이의 거리(LAC )는 4 μm입니다. 저항 접점의 길이(L오 ) 및 쇼트키 접점(LS ) 캐소드 트렌치에서 각각 0.5 μm 및 1 μm입니다. 확장된 오버행(LE ) 쇼트키 접점의 0.5 μm입니다.
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RB-CRD의 제조 공정 흐름
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아 음극 트렌치의 AFM 이미지. ㄴ 음극 트렌치에서 가져온 높이 프로필
결과 및 토론
그림 3a는 제작된 음극 트렌치의 3D 원자간력 현미경(AFM) 이미지를 보여줍니다. 음극 트렌치 바닥의 표면 거칠기는 0.3 nm입니다. 이러한 작은 표면 거칠기는 다음 금속-반도체 접촉에 유리합니다. 그림 3b에서 볼 수 있듯이 17nm 깊이의 캐소드 트렌치 리세싱을 사용하면 8nm AlGaN 장벽층이 캐소드 트렌치 영역에 남습니다. 이러한 잔여 AlGaN 장벽 층은 음극 트렌치 영역의 2DEG 채널이 항상 제로 바이어스에서 존재하도록 합니다.
그림 4는 RB-CRD의 작동 메커니즘을 보여줍니다. 양극에 제로 바이어스가 적용될 때(VAC =0 V)(그림 4a 참조)에서 RB-CRD는 게이트-소스 전극이 연결된 쇼트키 드레인 공핍 모드 HEMT와 유사합니다. 양극에 음의 바이어스가 가해지면 (VAC <0 V)(그림 4b 참조), 전자는 음극 트렌치 영역에 축적되는 반면 2DEG 채널은 역 바이어스된 쇼트키 접합으로 인해 양극 영역에서 고갈됩니다. 애노드와 캐소드 사이에는 원하는 전류가 흐르지 않으며 RB-CRD는 역 바이어스된 SBD 역할을 합니다. 그림 4c와 같이 턴온 전압(VT , 1 mA/mm에서 양극 SBD가 양극에 적용됩니다(VAC> VT ), 전자는 음극의 옴 접촉과 양극의 쇼트키 접촉 사이에서 흐를 것입니다. 한편, 음극의 쇼트키 접합은 역 바이어스되고 쇼트키 접촉 아래의 2DEG 채널은 순방향 바이어스가 증가함에 따라 점차적으로 고갈될 것입니다. 따라서 출력 전류는 인가된 애노드 전압과 함께 처음에 증가하고 점차적으로 포화에 도달합니다. 이 경우 안정적인 출력 전류를 얻을 수 있습니다.
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a에 따른 RB-CRD의 개략적인 작동 메커니즘 편향 없음, b 역 바이어스 및 c 순방향 바이어스 조건
온도 의존 순방향 I-V 웨이퍼 상의 RB-CRD의 특성은 그림 5에 나와 있습니다. 그림 5a와 같이 RB-CRD의 경우 무릎 전압(V케이 , 정상 조정 전류의 80%에서) 1.3 V가 얻어지며 이는 이전에 보고된 CRD(예:일반적인 값 0.6 V)보다 높은 것입니다[20, 21]. 이는 RB-CRD의 양극 SBD에서 추가적인 전압 강하(예:일반 값 0.7 V) 때문입니다. 온도가 25에서 300 °C로 증가함에 따라(그림 5a 참조), VT 이는 열이온 방출 모델로 설명할 수 있는 것으로 관찰됩니다(즉, 전자가 더 높은 온도에서 쇼트키 장벽을 극복하는 데 더 적은 에너지가 필요함). RB-CRD는 Si 기반 상용 CRD의 보고된 최대 작동 전압보다 높은 최대 200 V(그림 5b 참조)까지 일정한 조정 전류를 출력할 수 있습니다[22,23,24]. 25 °C에서 조정 전류 비율(I200 V /나25 V ) 제안된 RB-CRD의 0.998은 출력 전류가 상당히 안정적임을 나타냅니다. AlGaN/GaN 플랫폼의 고유한 고온 작동 기능 덕분에 RB-CRD는 IA 300 °C의 높은 온도에서 최대 200 V. 한편, 온도가 25에서 300 °C로 증가함에 따라 전방 IA 그림 5b와 같이 고온에서 전자 이동도 감소로 인해 31.1에서 23.1 mA/mm로 감소합니다. 온도 계수(α ) 다른 온도 범위에서 조절 전류는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
나0 온도 T에서의 출력 전류 0 그리고 나1 온도 T에서의 출력 전류 1 . - 0.152%/
o
미만의 작은 온도 계수 C가 관찰되어 제작된 RB-CRD가 우수한 열안정성을 가지고 있음을 나타냅니다.
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온도 의존 순방향 바이어스 I -V RB-CRD의 특성. 양극 전압 범위:a 0–2 V, b 0–200 V
그림 6의 삽입도에서 볼 수 있듯이 RB-CRD의 역항복 전압은 25 °C에서 260 V입니다. 해당 평균 임계 전기장은 0.65MV/cm로 계산됩니다. 온도 의존 역 I-V RB-CRD의 특성은 그림 6에 나와 있습니다. 주변 온도가 25°C에서 300°C로 증가하면 누설 전류가 10배 증가합니다.
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온도 의존 역 바이어스 I -V RB-CRD의 특성
결론
결론적으로, 트렌치 쇼트키 양극과 하이브리드 트렌치 음극을 특징으로 하는 새로운 AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD가 처음으로 성공적으로 시연되었습니다. 제작된 RB-CRD는 V케이 1.3 V의 순방향 작동 전압 200 V 이상의 역방향 항복 전압 260 V의 우수한 정확도와 - 0.152%/
o
미만의 작은 음의 온도 계수 C는 RB-CRD에 대해 획득되었습니다. 정확도가 높은 다기능 RB-CRD는 신흥 GaN 전력 전자 시스템에 통합될 가능성이 매우 큽니다.
