하이브리드 트렌치 캐소드 탑재 고정밀 AlGaN/GaN 역방향 차단 전류 조절 다이오드

초록

실리콘 기판上 실험적으로 실현된 트렌치 쇼트키 애노드와 하이브리드 트렌치 캐소드 특징 신규 AlGaN/GaN 측면 역방향 차단 전류 조절 다이오드(RB-CRD). 통합 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 턴온 전압 0.7 V, 역방향 브레이크다운 전압 260 V 전달. 하이브리드 트렌치 캐소드는 애노드 SBD와 직렬로 전류 조절 다이오드(CRD) 기능, 니 전압 1.3 V, 200 V 이상 순방향 동작 달성. RB-CRD는 25-300 °C에서 안정적 출력 전류 유지, -0.152 %/°C 미만 작은 음 온도 계수 보유.

배경

와이드 밴드갭 반도체 고전력, 고주파, 고온 전자공학 재편. GaN은 큰 밴드갭, 높은 전자 이동도, 임계 전기장으로 두드러짐[1-5]. AlGaN/GaN 헤테로인터페이스 자발 및 압전 분극이 고밀도 2차원 전자 가스(2DEG) 생성, 높은 브레이크다운 전압 저온저항 소자 가능. GaN-on-실리콘(GaN-on-Si) 플랫폼은 이 장점과 실리콘 웨이퍼 및 CMOS 공정 성숙도, 비용 효율성 결합[6-8], 이 기판上 광범위 전력 소자 이미 시연[9-16]. RB-CRD 같은 새 기능 소자 추가는 응용 공간 확대, AlGaN/GaN-on-Si 기술 상용화 가속.

그림 1a 예시 RB-CRD, 트렌치 쇼트키 애노드와 하이브리드 트렌치 캐소드 결합. 소자는 SBD와 직렬 CRD로 작동. 유망 용도 배터리 충전(그림 1b): CRD가 배터리에 일정 전류 공급, 역방향 바이어스 SBD가 입력 전압이 배터리 전압 아래 떨어질 때 역방향 방전 방지[17-19].

방법

에피택셜 AlGaN/GaN 적층 6인치 (111) Si上 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD) 성장. 층 구성: 2 nm GaN 캡, 23 nm AlGaN 배리어, 1 nm AlN 중간층, 300 nm GaN 채널, 3.5 μm 버퍼. 홀 측정 2DEG 밀도 9.5×10¹² cm⁻², 이동도 1500 cm²/V·s. 제조 공정(그림 2) 얕은 트렌치 저전력 Cl₂/BCl₃ ICP 공정(20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃에서 7 nm/min)으로 식각 시작. 메사 분리 및 애노드 트렌치 따름. Ti/Al/Ni/Au(20/150/55/60 nm) 옴접촉 전자빔 증착 후 N₂ 880 °C 35초 어닐링, 옴 저항 1.1 Ω·mm, 시트 저항 400 Ω/□ 산출. 최종 Ni/Au(50/300 nm) 쇼트키 적층 증착. 애노드-캐소드 간격(L_AC) 4 μm, 옴접촉 길이(L_O) 0.5 μm, 쇼트키 접촉 길이(L_S) 1 μm, 오버행(L_E) 0.5 μm.

결과 및 논의

AFM 이미징(그림 3a) 0.3 nm 거칠기 매우 매끄러운 트렌치 바닥 드러냄, 신뢰성 금속-반도체 접촉 이상적. 17 nm 트렌치 리세스 8 nm AlGaN 배리어 남겨 제로 바이어스에서 2DEG 활성 유지(그림 3b).

RB-CRD 동작 세 바이어스 영역 시각화 가능(그림 4). 제로 바이어스에서 소자 쇼트키-드레인 디플리션 모드 HEMT 유사 동작. 음 애노드 바이어스 시 애노드 SBD 역방향 바이어스, 소자 전류 차단, 역방향 바이어스 SBD 역할. 애노드 전압 SBD 턴온(≈1 mA/mm) 초과 시 전자 캐소드 옴접촉서 애노드 쇼트키 접촉 흐름; 동시에 캐소드 쇼트키 접합 역방향 바이어스, 쇼트키 영역 하 2DEG 고갈, 전류 포화 유도. 이 자기 조절 전류 흐름 안정적 출력 전류 산출.

온도 의존 순방향 I-V 특성(그림 5a) 니 전압(V_k) 80% 조절 전류서 1.3 V, 추가 0.7 V 애노드 SBD 강하로 기존 CRD(≈0.6 V)[20, 21] 초과. 온도 25 °C에서 300 °C 상승 시 SBD 턴온 전압 하향 이동, 열전자 방출 이론과 일치. 소자 200 V까지 안정적 전류 유지(그림 5b), 상용 Si 기반 CRD[22-24] 능가. 25 °C서 전류 비 I_200V/I_25V = 0.998, 예외적 안정성 확인. 열 안정성 추가로 I-T 관계 α = (I₁-I₀)/I₀(T₁-T₀)×100% 유도 온도 계수 -0.152 %/°C 미만으로 강조.

역방향 브레이크다운 전압 25 °C서 260 V 피크, 평균 임계 전기장 0.65 MV/cm 대응. 그러나 온도 300 °C 상승 시 역방향 누설 전류 2개 주문 상승(그림 6).

결론

트렌치 쇼트키 애노드와 하이브리드 트렌치 캐소드 결합 최초 AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD 소개. 소자 니 전압 1.3 V, 200 V 이상 신뢰적 동작, 260 V 역방향 브레이크다운 견딤. 출력 전류 놀라운 정확성, 음 온도 계수 -0.152 %/°C 미만 보유. 이 속성들로 RB-CRD 차세대 GaN 전력 전자공학, 특히 배터리 충전 등 정전류 응용 강력 후보 위치.

약어

2DEG:

2차원 전자 가스

AFM:

원자력 현미경

ICP:

유도 결합 플라즈마

MOCVD:

금속유기 화학 기상 증착

RB-CRD:

역방향 차단 전류 조절 다이오드

SBD:

쇼트키 배리어 다이오드