Ge 도핑 수직 GaN 쇼트키 배리어 다이오드의 고속 역회복 특성

요약

Ge 도핑 프리스탠딩 GaN 기판 위에 성장한 수직 GaN 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 우수한 결정 품질과 전기적 성능을 보입니다. 음극발광(CL) 영상은 약 1.3×10⁶cm⁻²의 균일한 전위 밀도를 보여줍니다. 소자는 0.70~0.78V의 낮은 턴온 전압 $V_{on}$과 9.9×10⁷~1.3×10¹⁰ 범위의 $I_{on}$/$I_{off}$ 비율을 나타냅니다. 역회복 측정에서 100~500µm 직경 소자에 대해 15.8~24.5ns의 회복 시간을 보이며, 회복 시간과 전하 모두 전극 면적과 양의 상관관계를 가집니다.

서론

광대역갭 반도체, 특히 GaN은 차세대 고주파, 고전력, 고성능 전자 소자의 핵심으로 자리잡았습니다. 최근 수소화물 기상 에피택시(HVPE) 발전으로 상업적 저전위 GaN 기판(≤10⁶cm⁻²) 성장이 가능해졌습니다. 이러한 기판 위에 구축된 수직 소자 구조는 측면 설계 대비 더 큰 전류 밀도, 감소된 누설 경로, 향상된 신뢰성을 제공합니다.

GaN 기반 쇼트키 배리어 다이오드는 전력 스위칭 회로의 핵심 부품입니다. 단극성 특성으로 소수 캐리어 저장이 없어 높은 스위칭 속도와 낮은 역회복 손실을 제공합니다. 그러나 수직 GaN SBD의 역회복 거동에 대한 체계적 연구는 여전히 부족합니다. 본 연구는 Ge 도핑 수직 SBD를 프리스탠딩 GaN 위에 제작하고 역회복 성능을 엄밀히 평가하여 이 공백을 메웁니다.

Ge는 GaN에 매력적인 n-타입 도펀트로, Si와 유사한 얕은 활성화 에너지(약 20meV)를 제공하면서 이온 반경이 작아 격자 왜곡을 덜 유발합니다. Ge 도핑은 더 매끄러운 표면과 감소된 결함 밀도, 향상된 열 안정성을 제공한다고 보고되었으며, 이는 고온 소자의 핵심 요구사항입니다. 여기서 우리는 Ge 도핑 수직 GaN SBD의 역회복 특성에 대한 최초의 체계적 조사를 제시합니다.

방법 및 실험

소자 구조는 그림 1a에 도시: 390µm 두께 프리스탠딩 n⁺-GaN 기판 위에 9µm n⁻-GaN 드리프트 층. 기판은 HVPE로 성장하며 1×10¹⁸cm⁻³ Ge 도핑, 전위 밀도 1×10⁶cm⁻². 에피택셜 층은 금속유기 화학기상증착(MOCVD)으로 약 2µm/h 속도 증착.

소자 제작: 후면에 Ti/Al/Ni/Au 옴접점, 전면에 Ni/Au 쇼트키 전극 형성, 직경 100, 200, 300, 400, 500µm(그림 1b). 전체 공정 세부사항은 선행 보고서 참조.

CL 영상은 퀀타 400 FEG SEM으로 10kV에서 전위 분포 매핑 수행. 정전용량-전압(C-V) 및 전류-전압(I-V) 측정은 키슬리 4200 분석기 사용. 온도 의존 시험은 300~500K 범위에서 맞춤 셋업으로 수행.

결과 및 고찰

그림 1c는 에피택셜 층의 CL 맵입니다. 어두운 점은 비방사 전위 중심을 나타내며, 균일한 분포로 평균 밀도 약 1.3×10⁶cm⁻² 산출, 고품질 결정 성장 확인.

C-V 및 G-V 커브는 1MHz에서 기록(그림 2a-b). 1/C²-V 플롯에서 도너 농도 $N_d$ 약 6.2×10¹⁵cm⁻³. 위상각 $\theta$는 $\tan^{-1}(2\pi fC/G)$로 계산 시 약 90° 유지, 쇼트키 배리어를 통한 최소 누설 나타냄(그림 2b 인셋).

J-V 특성(그림 2c)은 모든 직경에서 $I_{on}$/$I_{off}$ 비율 9.9×10⁷~1.3×10¹⁰, $V_{on}$ 0.70~0.78V 범위로 우수한 전자적 성능 입증.

역회복 거동은 그림 3a 테스트 회로로 측정. 정방파 전압(+20V to -20V)으로 소자 구동; 과도 전류를 텍트로닉스 MDO 4104-3 오실로스코프 고속 프로브로 포착. 역회복 파형(그림 3b)은 저장 시간 $t_a$, 역전류 지연 $t_b$, 회복 시간 $T_{rr}$(피크 역전류 10%까지 시간) 정의. 역회복 전하 $Q_{rr}$는 $T_{rr}$까지 역전류 적분으로 획득.

그림 4는 모든 전극 직경에 대한 역회복 전류 표시. $T_{rr}$ 값은 100, 200, 300, 400, 500µm 소자에 대해 각각 15.8, 16.2, 18.1, 21.22, 24.5ns. 해당 $Q_{rr}$ 값은 0.0127, 0.0536, 0.150, 0.280, 0.405nC. 모든 소자 25ns 미만 회복 시간 달성, 최소 소자가 가장 빠른 회복. $T_{rr}$과 $Q_{rr}$ 모두 전극 면적 증가에 따라 증가.

전압 의존성 조사 위해 ±10V로 반복 측정. $T_{rr}$은 본질적으로 불변, $Q_{rr}$는 직경 제곱(즉 전극 면적)에 비례하여 스케일링(그림 6).

관측된 거동의 주된 메커니즘은 기생 인덕턴스가 아닌 트랩 매개 저장입니다. 균일한 트랩 분포는 $Q_{rr}$이 접점 면적에 비례하게 만듭니다. 결과적으로 RC 시간 상수가 소자 직경에 따라 증가하여 $T_{rr}$의 선형 증가를 설명합니다. 전극 크기 축소나 드리프트 층 두께 감소가 회복 성능을 추가 개선할 수 있으며, 이는 선행 연구로 뒷받침됩니다.

온도 의존성은 500µm 소자로 평가(그림 7). 역회복 시간과 전하는 300~500K 범위에서 불변, GaN에서 트랩 농도가 온도 둔감함을 나타냄. Si 기반 SBD에서는 300~425K 사이 $T_{rr}$이 190% 이상 증가하는 것과 대조적. GaN의 우수한 열 안정성이 고온 전력 스위칭 적합성 뒷받침.

결론

HVPE로 성장한 Ge 도핑 프리스탠딩 기판 위에 수직 GaN 쇼트키 배리어 다이오드 제작. 음극발광과 전기 측정으로 높은 결정 품질과 우수한 전자적 성능 확인. 역회복 시험에서 100~500µm 직경 소자에 대해 15.8~24.5ns 회복 시간, $T_{rr}$과 $Q_{rr}$ 모두 전극 면적과 양의 상관관계. 이러한 발견은 고속 고온 전력 응용을 위한 GaN 기반 SBD 최적화의 벤치마크 제공.