아르곤 이온 주입 에지 터미네이션으로 β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드 성능 대폭 향상

요약

집속 아르곤 이온 주입 단계로 제작된 에지 터미네이션 Au/Ni/β-Ga₂O₃ 쇼트키 배리어 다이오드가 역방향 브레이크다운 전압과 발리가 피겨오브메리트(FOM)에서 괄목할 만한 상승을 달성함을 입증했습니다. 주입 선량을 50 keV에서 5×10¹⁴ cm⁻²부터 1×10¹⁶ cm⁻²까지 변화시킴에 따라 브레이크다운 전압은 209 V에서 252 V, 451 V로 증가했습니다(최대 측정값 550 V). 이에 따라 FOM은 25.7에서 30.2, 61.6 MW cm⁻²로 향상돼 각각 17.5%, 140% 개선을 보였습니다. 2D 소자 시뮬레이션은 아르곤 이온이 생성한 고저항 비정질 층이 양극 모서리 전기장 피크를 주입 영역 하부 영역으로 완화시켜 전기장 집중을 줄임을 확인했습니다. 온도 의존 순방향 바이어스 측정은 넓은 열적 범위에서 안정한 성능을 추가로 입증했습니다.

배경

β-Ga₂O₃, AlN, 다이아몬드 같은 초광대역 갭 반도체가 고전력 전자 소자 지형을 빠르게 바꾸고 있습니다. β-Ga₂O₃은 4.8-4.9 eV 예외적 밴드 갭과 ~8 MV cm⁻¹ 이론적 브레이크다운 필드를 제공해 4H-SiC와 GaN을 각각 3배, 4배 초과합니다. 발리가 FOM은 3400에 달해 SiC보다 10배, GaN보다 4배 높아 저손실 고전압 스위칭 소재로 최적입니다.

대면적, 비용 효율적 β-Ga₂O₃ 단결정은 플로팅 존(FZ)이나 에지 정의 필름 성장(EFG)으로 성장 가능합니다. Sn, Si, Ge 도핑으로 전자 밀도를 10¹⁶-10¹⁹ cm⁻³로 조절해 맞춤형 전도도 소자 설계가 가능합니다. β-Ga₂O₃ 쇼트키 배리어 다이오드(SBD)는 물질의 빠른 스위칭과 낮은 순방향 강하를 활용해 전력 변환 효율을 개선합니다.

미종단 β-Ga₂O₃ SBD에서 1.016 kV, 2.3 kV, 1.6 kV 기록적 브레이크다운 전압에도 불구하고 이는 이론적 이상 한계의 34%, 8%, 10%에 불과합니다. 따라서 전기장 집중을 완화하고 물질 잠재력을 최대한 끌어내기 위해 에지 터미네이션이 필수적입니다. 필드 플레이트, 플로팅 링, 트렌치 MOS, 접합 터미네이션 확장(JTE) 같은 기존 접근법은 β-Ga₂O₃의 고유한 p형 도핑 부재로 비효과적입니다. 대신 아르곤 이온 주입이 쇼트키 접촉 주변에 고저항 비정질 층을 형성하는 간단하고 리소그래피 프리 기술로 등장해 전기장 분포를 효과적으로 완화하며 SiC와 GaN 정류기에서 성공적으로 적용되었습니다.

본 연구에서는 쇼트키 접촉 주변에 아르곤 이온 주입으로 수직 에지 터미네이션 β-Ga₂O₃ SBD를 제작하고 전기적 특성과 전기장 분포를 체계적으로 평가했습니다.

방법/실험

10 µm 두께 드리프트 층을 EFG로 성장한 고순도 Sn 도핑 (100) β-Ga₂O₃ 벌크에서 기계적 박리했습니다. 고해상도 X선 회절(HRXRD)과 원자력 현미경(AFM)은 뛰어난 결정 품질(FWHM = 37.4 아크초, RMS = 0.203 nm)을 확인했습니다. 4점 탐침 측정으로 563 Ω □⁻¹ 시트 저항을 얻었으며, 1.3×10¹⁷ cm⁻³ 캐리어 농도에서 85-95 cm² V⁻¹ s⁻¹ 전자 이동도에 해당합니다.

후면 아르곤 이온 주입(50 keV, 2.5×10¹⁴ cm⁻²) 후 950°C, 60분 N₂ 어닐링으로 균일한 n형 옴 접촉을 형성했습니다. Ti/Au(20 nm/100 nm) 스택 증착 후 600°C, 60초 RTA로 급속 열 어닐링했습니다. 전면은 2 µm 포토레지스트 마스크로 패터닝했습니다. 아르곤 이온(50 keV)을 쇼트키 에지에 선량 5×10¹⁴ cm⁻²(샘플 B)과 1×10¹⁶ cm⁻²(샘플 C)로 주입했습니다. 400°C, 60초 N₂ RTA로 주입 손상 완화 및 역방향 누설 억제했습니다. 마지막으로 표준 포토리소그래피, 증착, 리프트오프로 100 µm 직경 Ni/Au(30 nm/200 nm) 쇼트키 양극을 정의했습니다. 기준 소자(샘플 A)는 에지 주입 없이 동일하게 공정했습니다.

샘플 C 단면 TEM은 주입 영역 하부 ~50 nm 두께 비정질 β-Ga₂O₃ 층을 보여줍니다(그림 2a). 그림 2b는 완성된 소자 사진입니다. 순방향 I-V(0-3 V, 10 mV 단계) 및 역방향 I-V(0~-500 V, 1 V 단계) 측정 설정은 그림 2c,d에 나와 있습니다.

a XRD 로킹 커브, b 10 µm β-Ga₂O₃ 드리프트 층 AFM 이미지, c 10 mm×10 mm 시료 시트 저항 측정값.

a 샘플 C TEM, b 소자 사진, c 순방향 I-V 설정, d 역방향 I-V 설정.

결과 및 논의

세 샘플 모두 1/C²-V 곡선에서 유효 도너 농도 (1.3±0.04)×10¹⁷ cm⁻³과 내장 전위 1.30 eV를 산출했습니다. 표준 쇼트키 분석으로 배리어 높이 φ_b,CV를 1.32 eV로 결정했습니다. 추출 식은 다음과 같습니다:

$$\frac{1}{C^2}=\frac{2}{q\varepsilon A^2(N_d-N_a)}(V_{bi}-V)\quad(1)$$ $$e\varphi_b=eV_{bi}+ (E_c-E_f)-e\Delta\varphi\quad(2)$$ $$E_c-E_f=kT\ln\left(\frac{N_c}{N_d-N_a}\right)\quad(3)$$ $$e\Delta\varphi=\left\{\frac{e}{4\pi\varepsilon}\left[\frac{2eV_{bi}(N_d-N_a)}{\varepsilon}\right]^{1/2}\right\}^{1/2}\quad(4)$$

샘플 A, B, C의 1/C²-V 플롯.

순방향 J-V 특성(그림 4a)은 에지 주입이 순방향 전도를 저하시키지 않음을 보여줍니다. 문턱 전압은 0.91-0.95 V 범위에 머물며 실온에서 I_on/I_off 비율은 10⁹을 초과합니다. 비저항은 1.7에서 3.3 mΩ cm²로 완만히 증가하나 2 V 피크 전류 밀도는 600 A cm⁻² 이상으로 유사 드리프트 층 문헌 값과 비슷하거나 우수합니다.

a 실온 J-V 곡선, b 샘플 C 온도 의존 J-V(300-423 K), c 샘플 C 리처드슨 플롯.

온도 스윕에서 이상계수 n은 1.06에서 1.02로 감소하고 배리어 높이 φ_b,JV는 1.21 eV로 거의 일정해 열전자 방출 지배와 최소 이미지 포스 저하를 나타냅니다. 리처드슨 플롯은 φ_b = 1.22 eV와 유효 리처드슨 상수 A* = 48.5 A cm⁻² K⁻²를 산출해 β-Ga₂O₃ 이론 범위(유효 질량 0.23-0.34 m₀ 기준 24-58 A cm⁻² K⁻²)와 일치합니다.

역방향 J-V 측정(그림 5a)은 아르곤 주입이 브레이크다운 전압을 유의미하게 향상시킴을 확인합니다: 209 V(샘플 A)에서 252 V(샘플 B), 451 V(샘플 C)로. 해당 발리가 FOM 값은 25.7에서 61.6 MW cm⁻²로 상승해 최고 선량에서 140% 개선. 누설 전류는 주입 소자에서 약간 높은데, 잔여 주입 손상 때문일 가능성이 높습니다; 향후 포스트 주입 어닐링 매개변수 최적화를 탐구할 예정입니다.

a 역방향 J-V 곡선, b 비주입 소자 브레이크다운 전압 분포, c 주입 소자 분포.

샘플 세트 전체에서 550 V 최대 브레이크다운 전압 통계 분석은 고저항 에지 층이 전기장 피크를 성공적으로 완화함을 확인합니다. 2D 시뮬레이션(그림 6)은 50 nm 깊이 중갭 억셉터와 불완전 이온화 모델을 포함해 피크 필드가 양극 모서리에서 주입 하부 영역으로 이동함을 보여주며, 최대 필드 5.05 MV cm⁻¹로 이론적 한계와 일치하고 SiC, GaN 대응 소자보다 우수합니다.

샘플 A-C 브레이크다운 시 시뮬레이션 전기장 분포; 하이라이트 영역은 피크 필드 재배치 보여줌.

결론

아르곤 이온 주입 에지 터미네이션으로 수직 Au/Ni/β-Ga₂O₃ 쇼트키 다이오드를 성공적으로 제작했습니다. 기준 소자 대비 주입 다이오드는 20-140% 브레이크다운 전압 증가와 비슷하거나 약간 높은 온저항을 보입니다. 최고 측정 브레이크다운 전압 550 V, 피크 전기장 5.05 MV cm⁻¹ 도달로 SiC, GaN 다이오드 한계를 훨씬 초과합니다. 이 결과는 간단하고 리소그래피 프리 아르곤 이온 주입 단계가 β-Ga₂O₃ 쇼트키 소자의 완전한 고전압 잠재력을 해제할 수 있음을 확인합니다.

약어

AFM:

원자력 현미경

EFG:

에지 정의 필름 성장

FWHM:

반최대 전폭

FZ:

플로팅 존

HRXRD:

고해상도 X선 회절

JTE:

접합 터미네이션 확장

MOSFET:

금속-산화물-반도체 전계효과 트랜지스터

RMS:

제곱평균제곱근

SBD:

쇼트키 배리어 다이오드

TE:

열전자 방출