에지 종단 Au/Ni/β-Ga2 O3 쇼트키 장벽 다이오드는 양극 접점 주변에 고저항 층을 형성하기 위해 아르곤 주입을 사용하여 제작되었습니다. 50keV의 주입 에너지 및 5 × 10 14 의 선량으로 cm −2 및 1 × 10 16 cm −2 , 역 항복 전압은 209에서 252 및 451V(최대 550V까지) 및 Baliga 성능 지수(VBR)로 증가합니다. 2 /Ron ) 또한 25.7에서 30.2 및 61.6 MW cm −2 로 증가합니다. , 각각 약 17.5% 및 140% 향상되었습니다. 2D 시뮬레이션에 따르면 접합 모서리의 전계는 아르곤 주입 후 평활화되고 최대 항복 전계의 위치(5.05MV/cm)는 계면의 양극 모서리에서 주입 바로 아래의 중첩 모서리로 변경됩니다. 지역. 순방향 특성의 온도 의존성도 조사했습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">Ga2 등의 광대역 밴드갭 반도체 소재를 이용한 고출력 소자 개발 O3 , AlN, 다이아몬드 등이 최근 몇 년 동안 가속화되고 있습니다. β-Ga2의 밴드갭 O3 4.8–4.9 eV만큼 크고 β-Ga2의 항복 필드 O3 4H-SiC 및 GaN보다 약 3배 큰 8MV/cm로 추정됩니다. Baliga의 성능 지수(3400)는 4H-SiC보다 10배 이상 크고 GaN보다 4배 더 큽니다[1]. 또한, 대형 단결정 및 저가의 β-Ga2 O3 기판은 FZ(floating-zone)[2] 및 EFG(edge-defined film-fed growth)[3, 4]와 같은 용융 성장 방법으로 제조할 수 있습니다. 전자 밀도는 10 16 의 넓은 범위에서 제어할 수 있습니다. ~ 10 19 cm −3 Sn, Si 또는 Ge로 도핑하여 [5,6,7]. 이러한 우수한 특성은 β-Ga2를 만듭니다. O3 고항복 전압 쇼트키 배리어 다이오드(SBD) 및 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 비롯한 저손실, 고전압 스위칭 및 고전력 애플리케이션에 이상적입니다. [8,9,10,11,12] . 쇼트키 배리어 다이오드는 p-n 접합 다이오드에 비해 빠른 스위칭 속도와 낮은 순방향 전압 강하의 장점을 가지고 있어 전력 손실을 줄이고 전원 공급 장치의 효율을 향상시킬 수 있습니다.
β-Ga2에서 1016V, 2300V, 1600V의 큰 항복 전압을 얻었지만 O3 에지 종단이 없는 쇼트키 장벽 다이오드는 모두 이상적인 값의 약 34%, 8% 및 10%입니다[10, 13, 14]. 전계 밀집 효과를 완화하고 β-Ga2의 전위를 완전히 실현하기 위해 O3 , 적절한 에지 종단을 설계해야 합니다. 필드 플레이트, 부동 금속 링, 트렌치 MOS 구조, 주입된 가드 링 및 접합 종단 확장(JTE)과 같은 장치 항복 전압을 증가시키는 많은 에지 종단 기술이 있습니다[12, 15,16,17]. 그러나 이식된 가드 링 및 JTE 구조는 Ga2에 적용되지 않습니다. O3 p형 도핑 부족으로 인한 쇼트키 다이오드. H. Matsunami와 BJ Baliga는 전기장 밀집을 줄이기 위해 양극 가장자리에 고저항 비정질 층을 형성하기 위해 아르곤 주입을 사용하여 가장자리 종단 구조를 제시했습니다[18,19,20,21,22]. 다중 포토리소그래피 또는 깊은 트렌치 에칭 단계가 필요하지 않은 간단한 기술이며, SiC 및 GaN 정류기에 널리 사용되어 정류 접점 주변의 전기장 분포를 매끄럽게 합니다[15, 23, 24].
이 논문에서 수직 에지 종단 β-Ga2 O3 쇼트키 다이오드는 쇼트키 접점의 가장자리에 아르곤 주입으로 제작되었습니다. Keithley 4200 반도체 특성화 시스템을 사용하여 커패시턴스-전압(C-V) 및 온도 의존적 전류 밀도-전압(J-V) 특성을 기록하고 전기장 분포도 분석했습니다.
10μm 두께의 드리프트 레이어는 고품질 Sn 도핑(100) 지향성 β-Ga2에서 얻었습니다. O3 기계적 박리에 의한 벌크 기판. β-Ga2 O3 4N 순수 Ga2를 사용하여 EFG 기술로 벌크를 성장시켰습니다. O3 분말을 출발물질로 한다. 우수한 결정 품질과 매끄러운 표면은 그림 1a, b에 표시된 것처럼 고해상도 X선 회절(HRXRD) 및 원자간력 현미경(AFM) 측정에 의해 확인되었습니다. 반치폭(FWHM)과 평균제곱근(RMS)의 전체 너비는 각각 37.4arcsec 및 0.203nm로 추정되었습니다. 그림 1c는 β-Ga2의 분포를 보여줍니다. O3 4점 프로브 측정으로 두께 10μm의 기판 시트 저항. (1.3 ± 0.04) × 10 17 의 캐리어 농도 사용 cm −3 및 (563 ± 18.5)Ω/□의 면저항, 전자 이동도는 85.3~95.2cm 2 로 계산됩니다. /Vs by μn =1/(R시트 × n × q × 그 ), 여기서 μn, R시트, n , q , 그리고 t 는 전자 이동도, 시트 저항, 전자 농도, 전자 전하 및 β-Ga2의 두께입니다. O3 보고된 결과와 유사합니다[25]. 50keV의 에너지, 2.5 × 10 14 도즈의 아르곤 이온 주입 cm −2 , N2에서 60분 동안 950°C의 고온 어닐링 대기가 후면에서 먼저 수행된 다음 Ti/Au(20nm/100nm) 옴 금속 스택의 E-빔 증발 및 N2 주변. 그런 다음 2μm 두께의 포토레지스트를 50keV의 에너지와 5 × 10 14 의 선량으로 실온에서 아르곤 주입용 마스크로 사용했습니다. cm −2 (샘플 B) 및 1 × 10 16 cm −2 (샘플 C), 각각. 주입 손상을 복구하고 역 바이어스에서 누설 전류를 줄이기 위해 주입된 샘플을 N2에서 60초 동안 400°C에서 급속 열 어닐링 처리했습니다. 주변 [13, 26]. 마지막으로 직경 100μm의 원형 쇼트키 양극 전극은 표준 포토리소그래피 패터닝, Ni/Au(30nm/200nm) 스택 증발 및 리프트 오프에 의해 전면에 제작되었습니다. 아르곤 주입이 없는 기준 장치도 제작되었습니다(샘플 A). 그림 2a는 제작된 Ga2의 단면 TEM을 보여줍니다. O3 아르곤 주입 에지 종단이 있는 쇼트키 다이오드. 거의 표면 무정형 β-Ga2 O3 주입 영역에 층이 생성되었습니다. 종료된 β-Ga2의 실제 사진 O3 쇼트키 다이오드는 그림 2b에 나와 있습니다. 그림 2c는 순방향 전류-전압(I -V ) β-Ga2의 특성 O3 SBD, 측정 전압 범위는 0~3V이고 단계는 10mV입니다. 그림 2d는 역전류-전압(I -V ) β-Ga2의 특성 O3 측정 전압 범위가 0~- 500V 사이이고 단계가 - 1 V인 동안 항복 전압을 얻기 위한 쇼트키 정류기
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아 XRD 요동 곡선 및 b β-Ga2의 AFM 이미지 O3 (100) β-Ga2에서 기계적으로 박리된 드리프트 층 O3 기질 c 10mm × 10mm β-Ga2의 측정된 시트 저항 O3 기질
<사진>
아 샘플 C 및 b의 TEM 이미지 종료된 β-Ga2의 사진 O3 쇼트키 다이오드 c 순방향 전류 및 d의 측정 설정 β-Ga2의 역전류-전압(I-V) 특성 O3 항복 전압을 얻기 위한 SBD
그림 3은 실험 1/C를 보여줍니다. 2 대 V 실온에서 3개의 SBD 샘플의 특성. 유효 캐리어 농도 N d -N 아 β-Ga2 O3 드리프트 레이어 및 내장 전위(eV 바이 )는 (1.3 ± 0.04) × 10 17 로 추출됩니다. cm −3 및 (1.30 ± 0.08) eV, 각각. 다음 방정식에 따르면 쇼트키 장벽 높이 φ b_CV (1.32 ± 0.08) eV로 계산됩니다.
$$ \frac{1}{C^2}=\frac{2}{q\varepsilon {A}^2\left({N}_d-{N}_{\mathrm{a}}\right)} \left({V}_{bi}-V\right) $$ (1) $$ e{\varphi}_b={eV}_{bi}+\left({E}_c-{E}_f\ 오른쪽)-e\Delta \varphi $$ (2) $$ {E}_c-{E}_f=kT\ln \left(\frac{N_c}{N_d-{N}_a}\right) $$ ( 3) $$ e\Delta \varphi ={\left\{\frac{e}{4\pi \varepsilon}{\left[\frac{2{eV}_{bi}\left({N}_d- {N}_a\right)}{\varepsilon}\right]}^{1/2}\right\}}^{1/2} $$ (4) <사진><소스 유형="이미지/웹p" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-018-2849-y/MediaObjects/11671_2018_2849_Fig3_HTML.png?as=webp">
1/C 2 -V 3개의 β-Ga2 플롯 O3 SBD 샘플
여기서 A , q , 및 ε β-Ga2의 쇼트키 접촉 면적, 전자 전하 및 유전율 O3 . 이 ㄷ , E f , eΔφ , 카 , T , 및 N ㄷ 전도대 최소값, 페르미 준위, 이미지 힘에 의한 전위 장벽 저하, 볼츠만 상수, 절대 온도 K 및 전도대 상태의 유효 밀도입니다.
그림 4a는 순방향 전류 밀도-전압(J -V ) β-Ga2의 특성 O3 SBD. 순방향 바이어스에서 아르곤 주입은 전기적 특성에 큰 영향을 미치지 않습니다. 임계 전압은 3개의 샘플에 대해 0.91V, 0.92V, 0.95V로 결정됩니다. I 켜기 /나 꺼짐 비율이 모두 10 9 보다 큽니다. 실온에서 선형 영역을 맞춤으로써 특정 온 저항(R 켜기 )는 1.7,2.1 및 3.3mΩ cm 2 입니다. , 2V에서 순방향 전류 밀도는 857, 699, 621A/cm 2 입니다. 그림 4a 삽입 그림과 같이 각각 3개의 샘플에 대해 전류 밀도는 더 높고 특정 온 저항은 드리프트 층에서 더 높은 전도도 및 캐리어 밀도에 대해 보고된 값보다 낮거나 비슷합니다[12, 13, 26,27,28,29,30].
<그림>
아 포워드 J -V 종단 및 종단되지 않은 β-Ga2의 특성 O3 실온에서 b 온도 의존 순방향 J -V 300~423K의 샘플 C 특성. c Richardson의 ln(J 플롯 ㅅ/티 2 ) 대 1000/T 샘플 C의
순방향 특성의 온도 의존성에 대한 아르곤 주입의 영향을 조사하기 위해 순방향 J -V 샘플 C의 측정은 그림 4b와 같이 300~423K에서 수행됩니다. 이상적인 요소 n 및 쇼트키 장벽 높이 φ b_JV φ보다 낮은 실온에서 1.06 및 1.22eV로 결정됨 b_CV 열이온 방출(TE) 모델에 따른 (1.32 ± 0.08) eV의 값[31, 32]. 온도가 증가함에 따라 n 1.06에서 1.02로 감소하고 장벽 높이는 약간 감소하지만 온도 범위에서 1.21 ± 0.01eV로 거의 일정합니다. 이는 온도 증가에 따른 이상적인 쇼트키 다이오드의 장벽 높이 감소와 반대이지만 제작된 β-Ga에서 관찰되었습니다. 2 O3 SBD [26]. 방정식 ln(J 사용 ㅅ/티 2 ) =ln(A*)-qϕ b /kT , 장벽 높이 ϕ b 유효 Richardson 상수 A*는 1.22eV 및 48.5A/cm 2 로 결정됩니다. K 2 기울기 및 y의 샘플 C에 대해 - 그림 4c와 같이 플롯의 선형 영역의 축 절편. 또한 3개의 샘플에서 10개의 기기에 대해 추출된 A* 값은 24~58A/cm 2 입니다. K 2 , 이전 실험 결과 및 이론값과 일치, 24–58A/cm 2 K 2 , 유효 전자 질량 m * =0.23–0.34m0 β-Ga2 O3 [33,34,35,36,37].
그림 5a는 역 J를 나타냅니다. -V 샘플의 특성. 아르곤 주입 후 항복 전압은 209V에서 252V 및 451V로 증가하고 Baliga 성능 지수(VBR 2 /Ron ) 3개 샘플의 경우 약 25.7, 30.2 및 61.6MW cm −2 입니다. , 각각. 주입하는 동안 일부 결함이 도입되어 누설 전류의 심각하고 바람직하지 않은 증가로 이어질 수 있으며, 이는 SiC 및 GaN 쇼트키 다이오드 장치에서도 보고되었습니다[18,19,20]. 비록 아르곤 주입 후 열처리를 하였지만, 시료 B와 C는 여전히 약간 더 큰 누설전류가 존재한다. 따라서 소둔 후 온도와 순방향 및 역방향 전기적 특성에 대한 지속시간에 대한 조사 세부사항은 다음 논문에서 다루어져야 한다.
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아 역 J -V β-Ga2의 특성 O3 실온에서 샘플. ㄴ 및 c β-Ga2의 항복 전압 분포 O3 아르곤 주입이 있거나 없는 SBD
그림 5b, c는 β-Ga2의 항복 전압 분포를 나타냅니다. O3 아르곤 주입이 있거나 없는 쇼트키 정류기. 이러한 장치의 이상적인 평면 병렬 항복 전압은 5.1~5.3MV/cm의 임계 전기장을 사용하여 553~598V로 결정됩니다[11, 39]. 아르곤을 주입하지 않은 항복 전압은 약 110~310V로 이상적인 값의 약 50%입니다. 그러나 5 × 10 14 의 아르곤 주입량으로 cm −2 , 항복 전압은 150~350V로 증가하여 기준 장치보다 훨씬 크지 않은 반면 1 × 10 16 cm −2 , 항복 전압이 이상적인 값에 접근하고 있습니다. 이 작업에서는 550V의 최대 항복 전압을 얻을 수 있습니다. 또한 항복 전압에서의 전기장 분포를 시뮬레이션했습니다. 단순화를 위해 그림 6과 같이 TRIM 시뮬레이션에 의해 결정된 50nm의 주입 깊이로 단일 midgap acceptor 레벨이 추가되었으며 불완전한 이온화 모델도 고려되었습니다[38]. 분명히 고저항 층이 효과적으로 평활화됩니다. 접합 모서리에서 전기장을 제거하고 기준 샘플과 비교하여 항복 전압을 크게 향상시킵니다. 항복 전압에서 최대 전기장은 보고된 결과와 유사하게 모두 약 5.05MV/cm이며 [11, 39], 그림 6d, e.
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샘플 A–C의 항복 전압에서 전기장 분포 시뮬레이션(a , ㄷ , e ), 점선 상자(b)에서 선택한 영역의 확대 이미지 , d , f , 지 ), 시뮬레이션된 전기장 대 (b의 점선을 따른 위치 , d , f ) 세 가지 샘플의 경우 Au/Ni/β-Ga2 O3 샘플 A의 인터페이스, 샘플 B 및 C의 인터페이스 아래 각각 50nm 최대 필드는 5.05MV/cm입니다.
수직 Au/Ni/β-Ga2 O3 아르곤 주입에 의해 형성된 에지 종단이 있는 쇼트키 장벽 다이오드는 β-Ga2에 제작되었습니다. O3 고품질 (100) 지향 β-Ga2에서 기계적으로 박리된 드리프트 층 O3 벌크 기판. 제어 장치와 비교하여 특정 온 저항(R 켜기 ) 1.7에서 2.1 및 3.3 mΩ cm 2 로 증가 5 × 10 14 의 주입 용량에 대해 항복 전압은 209에서 252 및 451V로 증가합니다. cm −2 및 1 × 10 16 cm −2 , 각각 더 큰 역 누설 전류. 항복 전압에서 최대 전기장은 약 5.05MV/cm로 SiC 및 GaN보다 훨씬 큽니다.
원자력 현미경
가장자리 정의 필름 공급 성장
절반의 전체 너비
부동 영역
고해상도 X선 회절
접합 종단 확장
금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터
제곱 평균 제곱
쇼트키 배리어 다이오드
열이온 방출
나노물질
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