이중 이종 접합이 있는 Si 기판의 AlGaN/GaN 쇼트키 배리어 다이오드에 대한 이론 및 실험 연구
초록
이중 이종 접합이 있는 AlGaN/GaN 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)는 GaN/AlGaN/GaN/Si-sub에 대해 이론적으로 실험적으로 조사되었습니다. 2차원 정공 가스(2DHG)와 전자 가스(2DEG)는 각각 GaN-top/AlGaN 및 AlGaN/GaN 계면에서 형성된다. 오프 상태에서 2DEH 및 2DHG는 부분적으로 고갈된 다음 완전히 사라집니다. 양극화 접합을 형성하는 고정된 양극 및 음극 전하가 남아 있습니다. 따라서 드리프트 영역에서 평평한 전기장과 높은 항복 전압(BV)이 얻어진다. 또한, 양극은 턴온 전압(V켜기 ). 손상이 적은 ICP 에칭 공정으로 쇼트키 접점이 개선되고 누설 전류가 낮고 V가 낮습니다. 켜기 얻어진다. 제작된 SBD는 양극-음극 거리(L)에서 1109 V의 BV를 나타냅니다. AC ) 11 μm. 제작된 SBD는 낮은 V를 달성합니다. 켜기 0.68 V의 우수한 균일성, 높은 온/오프 전류 비율 ~ 10
10
실온에서 낮은 비저항(RON,SP ) 1.17mΩ·cm
2
, 및 1051 MW/cm
2
의 높은 Baliga의 FOM(수치 지수) .
소개
AlGaN/GaN 이종구조 기반 측면 다이오드는 2차원 전자 가스(2DEG)의 높은 전자 이동도, 높은 전자 포화 속도 및 높은 항복 전기장 때문에 매력적인 소자입니다[1,2,3]. 낮은 턴온 전압(V켜기 ), 전원 공급 장치 및 역률 보정용 컨버터 및 인버터에 사용되는 GaN 다이오드의 낮은 역 누설 전류 및 높은 항복 전압(BV) [4,5,6,7,8,9,10,11,12] . 전기장의 불균일한 분포를 해결하기 위해 다양한 접근법이 제안되었다. 그 중 하나가 FP(field-plate) 기술이다[5, 13]. 이중 필드 플레이트가 있는 완전히 함몰된 양극 SBD는 25μm L에서 1.9 kV의 높은 항복 전압을 달성합니다. AC [5]. 또한 높은 항복 전압을 유지하면서 턴온 전압을 크게 줄일 수 있습니다. 또한 실리콘 기술에서 일반적으로 사용되는 기존의 RESURF(Reduced SURface Field) 개념이 GaN HEMT에서 입증되었습니다[14]. 또한 특정 온저항(RON,SP ) 및 BV [15,16,17,18]. PJ 개념을 기반으로 하는 GaN 기반 장치는 사파이어 및 SiC 기판에서 시연되었지만 SiC 기판 상의 GaN의 고비용 및 작은 직경은 대량 상용 응용 프로그램에 반대합니다. 직경이 큰 GaN-on-Si는 저렴한 비용으로 인해 유망한 선택으로 간주됩니다[19,20,21,22]. 따라서 실리콘 기판에서 PJ 다이오드의 성능은 연구할 가치가 있습니다.
이 연구에서 우리는 이중 이종 접합(DJ)이 있는 GaN/AlGaN/GaN-on-Si 쇼트키 장벽 다이오드를 제안하고 실험적으로 시연했습니다. 분극 접합 효과는 시뮬레이션 및 실험에 의해 확인됩니다. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 평평한 전기장(E-field)이 달성됩니다. 쇼트키 트렌치를 에칭하는 ICP 공정은 낮은 역 누설 전류와 낮은 V를 달성하도록 최적화되었습니다. 켜기 우수한 에칭 균일성. 맞춤형 에피택셜 층(45 nm GaN-top 포함)을 기반으로 낮은 접촉 저항(2DEG의 경우)을 달성하도록 옴 접촉 프로세스도 최적화되었습니다. 따라서 11 μm L의 SBD에 대해 1109 V의 항복 전압이 달성됩니다. AC 그리고 Baliga의 FOM(수치 지수)은 1051 MW/cm
2
입니다. . 온도 의존성 및 동적 RON,SP 성능도 조사됩니다.
방법 및 실험
에피택셜 층은 3.5μm GaN 버퍼층, 150nm GaN 채널층, 1nm AlN 중간층, 45nm Al으로 구성된 6인치 p형 실리콘 위에 금속-유기 화학 기상 증착에 의해 성장되었습니다. 0.25 Ga0.75 N 배리어 층, 그리고 아래에서 위로 45nm GaN-상단 층. GaN-top 층은 35nm p-GaN 층과 10nm 도핑되지 않은 GaN 층을 포함합니다. 45 nm의 주어진 AlGaN 두께에 대해 2DHG 밀도는 GaN 상단 두께가 증가함에 따라 증가합니다[22]. 두꺼운 GaN-상단 층은 고밀도 2DHG에 필수적이며 낮은 옴 접촉 저항(2DEG의 경우)에 반대합니다. 제안된 이중 이종 접합 쇼트키 배리어 다이오드(DJ SBD)의 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. SBD 제작은 Cl2에 의한 메사 격리로 시작되었습니다. /BCl3 - 300 nm 깊이까지 유도 결합 플라즈마(ICP) 식각을 기반으로 합니다. 그 다음, 저손상 ICP 식각 공정으로 오믹 트렌치와 쇼트키 양극 트렌치를 형성하였다. 옴 트렌치와 쇼트키 양극 트렌치의 깊이는 각각 50 nm와 90 nm로 원자간력현미경(AFM)을 이용하여 확인하였다. 85°C에서 15분 동안 TMAH(테트라메틸암모늄 하이드록사이드) 용액을 도입하여 에칭 후 잔류물을 제거하고 에칭 공정 완료 후 트렌치 측벽을 수정했습니다[23]. 그런 다음 N2에서 10분 동안 400 °C에서 어닐링 앰비언트를 진행했습니다. 옴 캐소드는 e-빔 증발 Ti/Al/Ni/Au(20/140/55/45 nm)에 의해 후속적으로 형성되었으며, N2에서 35초 동안 870°C에서 어닐링되었습니다. 주변, 접촉 저항 포함(RC ) 0.49 Ω·mm. 마지막으로 양극 금속과 상호 연결은 Ni/Au에 의해 증착되어 제조 흐름을 완료합니다. 다양한 LAC 7 ~ 11 μm. 그림 1b는 ICP 및 금속 증착 후 양극의 고해상도 단면 TEM 이미지로, 층 구조가 명확하게 관찰되었습니다.
<그림>
아 제안된 이중 이종 접합 AlGaN/GaN SBD 및 주요 제조 공정의 단면. 엘AC 는 양극에서 음극까지의 길이입니다. 엘FP 그리고 L1 각각 1μm와 2μm입니다. ㄴ ICP 및 금속 증착 후 양극의 HR-TEM 이미지
2DEG는 AlGaN/GaN 계면을 따라 양의 분극 전하에 의해 유도됩니다. 상부 GaN/AlGaN 계면은 음의 분극 전하를 가지므로 상부 계면에서 2DHG를 생성한다[15]. 드리프트 영역과 음극 사이의 간격(L1 )은 그림 2와 같이 정공 전류 경로를 줄이는 데 사용됩니다. L의 영향만 조사했습니다. 1 원래 레이아웃 디자인의 한계로 인해 순방향 및 역방향 차단 특성이 2 ~ 3 μm입니다. V켜기 및 RON,SPL 때문에 변화가 없음 1 쇼트키 접촉 및 전자 전류 경로에 영향을 미치지 않습니다. 또한 BV는 L이 증가함에 따라 약간 감소합니다. 1 드리프트 영역이 짧아졌기 때문입니다. 순방향 바이어스에서 DJ SBD의 작동 메커니즘은 기존 SBD와 거의 동일하므로 2DHG는 음극에서 양극으로의 전자 전류 경로에 거의 영향을 미치지 않습니다. 역 바이어스 전압이 증가함에 따라 2DEG 및 2DHG가 완전히 고갈됩니다. 양극화 접합을 형성하는 고정된 양극 및 음극 전하가 남아 있습니다. 결과적으로 캐소드와 애노드 사이에 평평한 E-필드 분포가 얻어집니다(그림 3).
<그림>
DJ SBD의 작동 메커니즘 분석 a 제로 바이어스 및 b 역 바이어스
<그림>
TCAD 시뮬레이션에 의한 AlGaN/GaN 채널 이종계면을 따른 전기장 분포. Al 분율은 0.25로 정의됩니다. 버퍼 레이어의 네트 억셉터(딥 레벨) 밀도는 1.5 × 10
16
으로 설정됩니다. cm
−3
에너지 준위는 전도대 최소값보다 0.45eV 낮습니다. AlGaN/GaN 인터페이스의 억셉터 밀도는 6 × 10
12
으로 설정됩니다. cm
−3
에너지 준위는 전도대 최소값보다 0.23eV 낮습니다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이 Synopsys사의 2-D Sentaurus TCAD를 이용하여 항복특성과 분극접합 메커니즘을 확인하였다. 우리는 밴드갭 축소, 분극, 전자/정공 이동도, 충격 이온화 및 SRH 재결합을 포함하여 시뮬레이션에서 몇 가지 중요한 물리적 현상을 설명했습니다.
홀 효과 측정은 2DHG 또는 2DEG 밀도 및 이동도 값을 결정하기 위해 채택되었습니다[22]. 측정은 실온에서 Van der Pauw 방법으로 수행되었습니다. Ref.에 따라 2DHG를 측정하려면 [17], 홀 측정 샘플은 Ni/Au 옴 접촉으로 제작되었습니다. 2DHG의 밀도와 이동성은 9 × 10
12
였습니다. cm
−2
및 15 cm
2
/V s, 각각. 2DEG는 Ti/Al/Ni/Au 옴 접촉으로 제작된 부분적으로 AlGaN과 리세싱 GaN-톱이 있는 샘플로 측정되었습니다(2DEG용). 2DEG의 밀도와 이동성은 8.5 × 10
12
입니다. cm
−2
및 970 cm
2
/V s, 각각. 홀 측정에 따르면 100 cm
2
이상의 경우 정공 이동도가 벌크 이동도보다 훨씬 낮습니다. /V s. 이동도의 저하는 MOCVD 성장 동안 p-GaN에서 도핑되지 않은 GaN으로의 Mg 확산에 기인합니다.
결과 및 토론
측정된 I-V 다양한 L이 있는 SBD의 순방향 특성 AC 그림 4a 및 b에 표시됩니다. 턴온 전압(V켜기 )은 0.68 V이고 0.02 V의 작은 변동이 있습니다. SBD의 이상 계수와 장벽 높이는 각각 1.44 ± 0.15 및 0.76 ± 0.04 eV로 계산됩니다. 그림 4a는 183 mA/mm 및 144 mA/mm의 높은 순방향 전류 밀도(2.5 V의 순방향 바이어스)와 0.642 및 1.17mΩ cm
2
의 온 저항을 보여줍니다. L에서 달성 AC =각각 7 및 11 μm. 또한 우수한 온/오프 전류비 ~ 10
10
도 4b에 도시된 바와 같이 얻어진다. 하위 임계값 기울기(SS)는 63.0 mV/dec로 이상적인 SS(59.6 mV/dec)에 가깝습니다.
<그림>
측정된 순방향 바이어스 I-Va의 DJ SBD의 특징 선형 및 b 다른 L을 갖는 세미 로그 스케일 AC
그림 5a는 측정된 역 차단 I-V를 보여줍니다. 다양한 L이 있는 SBD의 특성 AC 300 K에서 다른 L을 갖는 장치의 항복 전압 AC 누설 전류 1 mA/mm에서 각각 803 V, 940 V 및 1109 V입니다. 2DEG와 2DHG의 밀도는 시뮬레이션 중에 동일하다고 가정합니다. 그러나 실험 결과는 2DHG(9 × 10
12
cm
−2
) 2DEG(8.5 × 10
12
)보다 약간 높습니다. cm
−2
). 오프 상태에서 고정된 양극과 음극 전하의 차이는 전하 균형에 영향을 미치므로 항복 전압을 저하시킵니다. L의 영향 AC BV 및 RON,SP 도 5b에 도시되어 있다. BV와 L 사이의 거의 선형 관계 AC 드리프트 영역에서 상대적으로 평평한 측면 E-필드를 의미합니다. 편광 접합 효과로 인해 장치는 높은 Baliga의 성능 지수(FOM =BV
2
/RON,SP ) 1051 MW/cm
2
(@ 엘AC =11 μm).
<그림>
아 측정된 역 차단 I-VL이 다른 DJ SBD의 특징 AC (b ) RON,SP 및 BV를 L의 함수로 AC
에칭 공정은 고품질 쇼트키 인터페이스와 옴 접촉에 매우 중요합니다. 그림 6a는 ICP 에칭(@ 5 °C) 및 TMAH 용액 후 오목한 트렌치의 표면 형태를 보여줍니다. 에칭 속도는 약 4.9 nm/min이며 최종 선택된 레시피는 Cl2 4 sccm의 ICP 전력 50 W, RF 전력 15 W RMS(제곱 평균 제곱근) 거칠기는 0.244 nm이고 스캔 영역이 2 × 2 μm
2
입니다. .
<그림>
아 ICP 에칭 후 트렌치의 AFM 형태. ㄴ TLM 테스트에 의한 옴 접촉 저항에 대한 에칭 깊이의 영향. ㄷ 트렌치 깊이가 50~55nm인 어닐링 온도의 함수로서의 접촉 저항. 어닐링 시간은 35초였습니다.
맞춤형 에피택셜 층은 45 nm GaN-top 층과 45 nm AlGaN 층을 포함하기 때문에 ohmic contact(2DEG용) 공정은 기존 SBD와 다릅니다. GaN-top과 AlGaN 배리어 층을 모두 리세스하지 않으면 저항 금속과 2DEG 사이의 전위 장벽 때문에 어닐링에 의해 낮은 접촉 저항을 달성하기 어렵습니다. 그러나 장벽이 지나치게 움푹 들어간 경우 응력 해제로 인해 2DEG 농도가 감소합니다. 옴 접촉 저항을 줄이기 위해 추가 프로세스가 채택되었습니다. 샘플의 표면은 증착 전에 천연 산화물 층을 제거하기 위해 HCl 용액으로 처리됩니다. 또한 플라즈마 표면처리(ICP power 50 W BCl3 10 sccm 3 min) 표면 기증자 상태를 도입하기 위해 [24]. 그림 6b는 트렌치 깊이에 대한 접촉 저항의 의존성을 보여줍니다. 최적화된 깊이는 50 ~ 55 nm에서 얻습니다. Ti/Al/Ni/Au 접촉에 대한 고온 급속 열처리(RTA)가 그림 6c에서 조사되었습니다. 어닐링 온도는 840~890 °C이며 870 °C는 접촉 저항이 가장 낮습니다. 고온, 즉 870 °C에서의 어닐링은 Ti/질화물 계면에서 TiN의 형성에 도움이 됩니다. 그러나 더 높은 온도(예:890 °C)는 Au와 Al의 상호확산을 증가시켜 양호한 오믹 접점 형성에 불리합니다.
그림 7a–c는 V를 포함한 정적 특성의 통계적 플롯을 보여줍니다. 켜기 , VF , 및 BV. 데이터는 L이 있는 72개의 SBD에서 추출됩니다. AC 3개의 개별 공정 실행으로 제작된 7, 9 및 11 μm. 장치는 안정적인 순방향 켜짐 특성을 표시하고 V켜기L과 독립 AC , V 때문에 켜기 주로 쇼트키 접촉에 의해 결정됩니다. 저손상 ICP 에칭 공정, 정밀하게 제어된 트렌치 깊이 및 고품질 쇼트키 인터페이스는 V의 우수한 균일성에 기여합니다. 켜기 및 VF . 또한 LAC (7에서 11 μm로), 제안된 구조에서 관찰된 BV에서 단조로운 증가(~100 V/μm)가 있습니다. 그림 7d는 V의 히스토그램 통계를 보여줍니다. 켜기 72개 장치의 경우 평균값은 0.68 V이고 작은 표준 파생값은 0.02 V입니다.
<그림>
a의 통계 도표 턴온 전압, b 순방향 전압 및 cL이 있는 72개의 SBD에서 추출된 항복 전압 AC 3개의 개별 공정 실행으로 제작된 7, 9 및 11μm의 dV 배포 켜기 72개 장치용
역방향 및 순방향 특성의 온도 의존성은 그림 8에서 평가됩니다. 그림 8a에서 볼 수 있듯이 주변 온도가 300K에서 475°K로 증가하면 RON,SP 1.94배.
<그림>
아 역 누설 전류 및 b 다양한 온도에서 DJ SBD의 순방향 특성
DJ SBD의 동적 특성은 Agilent B1505A 전력 장치 분석기로 측정됩니다. 애노드 펄스 정지 바이어스 포인트는 − 10 V, − 20 V, − 30 V, − 40 V, − 70 V, − 100 V로 설정되며, 애노드 펄스 폭은 5ms/0 5ms/5 그림 9b는 동적 RON,SP 스트레스 전압의 함수로. 역동적인 RON,SP 100 V에서도 예비 스트레스 전압은 역 스트레스가 없는 전압의 1.18배에 불과하며 이는 Ref. [8]. 동적 R의 제한된 증가 ON,SP 인터페이스 상태의 감소에 기여합니다. 동적 R의 저하 ON,SP 추가 작업이 필요합니다.
<그림>
아I-V 펄스 측정에서 특성. ㄴ 추출된 RON,SP 펄스 폭/주기 =0.5ms/500ms인 양극 펄스 베이스와 비교
그림 10은 BV 대 R의 벤치마크 플롯을 나타냅니다. ON,SP Si/SiC/sapphire 기판의 GaN 전력 다이오드용 [8, 10, 22, 25,26,27,28,29,30,31]. L로 제안된 기기 AC 11 μm는 해당 R과 함께 1109 V의 BV를 나타냅니다. ON,SP 1.17mΩ·cm
2
, 1051 MW/cm
2
의 높은 Baliga의 FOM으로 이어짐 . 이 값은 Si 기판의 측면 GaN 파워 다이오드 중 가장 좋은 결과입니다.
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BV 대 R의 벤치마크 도표 ON,SP SiC/사파이어/Si 기판 상의 GaN 전력 다이오드. 고장을 정의하는 데 사용되는 역 누설도 제공됩니다.
결론
성능 지수가 높은 이중 이종 접합 GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBD가 제작되었습니다. 손상이 적은 ICP 에칭 프로세스는 제안된 장치에 대해 최적화된 옴 및 쇼트키 접점을 생성합니다. 따라서 낮은 V켜기 균일성이 좋고 R이 낮은 0.68 V ON,SP 1.17mΩ·cm
2
장치에서 L을 얻습니다. AC 11 μm. 1051 MW/cm
2
의 높은 발리가 FOM 편광 접합 효과로 인해 달성됩니다. 저비용 GaN-on-Si 기술과 함께 고성능은 미래 전력 애플리케이션에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다.
