Recuperação Reversa Rápida em Diodos Schottky Verticais de GaN Dopados com Ge

Resumo

Diodos Schottky verticais de GaN (SBDs) crescidos em substratos de GaN auto-sustentados dopados com Ge exibem qualidade cristalina superior e desempenho elétrico. Imageamento por catodoluminescência revela densidade uniforme de discordâncias de ≈1,3×10⁶ cm⁻². Os dispositivos apresentam baixa tensão de turn-on V_on de 0,70–0,78 V e razão I_on/I_off variando de 9,9×10⁷ a 1,3×10¹⁰. Medidas de recuperação reversa rendem tempos de 15,8–24,5 ns para diâmetros de 100–500 µm, com tanto tempo de recuperação quanto carga positivamente correlacionados com área do eletrodo.

Introdução

Semicondutores de banda larga, particularmente GaN, tornaram-se fundamentais para eletrônica de próxima geração de alta frequência, alta potência e alto desempenho [1]–[6]. Avanços recentes em epitaxia de fase de vapor de hidreto (HVPE) agora permitem crescimento comercial de substratos de GaN com baixa discordância (≤10⁶ cm⁻²) [7]–[10]. Arquiteturas de dispositivos verticais construídas sobre estes substratos oferecem maiores densidades de corrente, caminhos de fuga reduzidos e confiabilidade aprimorada comparados a designs laterais [11], [12].

Diodos Schottky baseados em GaN são componentes críticos em circuitos de chaveamento de potência. Sua natureza unipolar elimina armazenamento de portadores minoritários, resultando em altas velocidades de chaveamento e baixas perdas de recuperação reversa [13]–[17]. No entanto, estudos sistemáticos do comportamento de recuperação reversa em SBDs verticais de GaN permanecem escassos. Este trabalho preenche essa lacuna fabricando SBDs verticais dopados com Ge em GaN auto-sustentado e avaliando rigorosamente seu desempenho de recuperação reversa.

Ge é um dopante tipo n atraente para GaN, oferecendo ativação rasa (≈20 meV) comparável a Si enquanto induz menos distorção de rede devido ao seu raio iônico [19]–[20]. Dopagem com Ge relata produzir superfícies mais lisas e densidades de defeitos reduzidas [21], [22], e aumenta estabilidade térmica, requisito chave para dispositivos de alta temperatura. Aqui, apresentamos a primeira investigação sistemática de características de recuperação reversa em SBDs verticais de GaN dopados com Ge.

Métodos e Experimentos

A arquitetura do dispositivo é ilustrada na Fig. 1a: um substrato n⁺-GaN auto-sustentado de 390 µm de espessura sobreposto por uma camada de deriva n⁻-GaN de 9 µm. O substrato, crescido por HVPE, incorpora 1×10¹⁸ cm⁻³ Ge e exibe densidade de discordâncias de 1×10⁶ cm⁻² [7]. A camada epitaxial foi depositada por deposição química de vapor organometálico a ≈2 µm h⁻¹.

Fabricação do dispositivo envolveu contatos ôhmicos Ti/Al/Ni/Au na superfície traseira e eletrodos Schottky Ni/Au na frente, com diâmetros de 100, 200, 300, 400 e 500 µm (Fig. 1b). Detalhes completos do processo estão disponíveis em nossos relatórios anteriores [23], [24].

a Corte transversal esquemático do SBD vertical. b Imagem de microscopia óptica dos cinco diâmetros de eletrodo. c Imagem CL pancromática da camada epitaxial.

Imageamento CL foi realizado com SEM Quanta 400 FEG a 10 kV para mapear distribuição de discordâncias. Medidas de capacitância-tensão (C-V) e corrente-tensão (I-V) empregaram analisador Keithley 4200. Testes dependentes de temperatura abrangeram 300–500 K usando configuração personalizada.

Resultados e Discussão

A Figura 1c mostra o mapa CL da camada epitaxial. Pontos escuros indicam centros de discordância não-radiativos; sua distribuição uniforme rende densidade média de ≈1,3×10⁶ cm⁻², confirmando crescimento cristalino de alta qualidade.

Curvas C-V e G-V foram registradas a 1 MHz (Fig. 2a-b). Dos gráficos 1/C²-V, a concentração de doadores N_d é ≈6,2×10¹⁵ cm⁻³. O ângulo de fase θ, calculado via tan⁻¹(2πfC/G), permanece ≈90°, indicando fuga mínima através da barreira Schottky (Fig. 2b inset).

Características J-V (Fig. 2c) revelam razões I_on/I_off variando de 9,9×10⁷ a 1,3×10¹⁰ e valores V_on entre 0,70 e 0,78 V em todos os diâmetros, demonstrando excelente desempenho eletrônico.

a Curvas C-V a temperatura ambiente para cada tamanho de eletrodo. b Curvas G-V com θ versus V inset para dispositivo de 300 µm. c Curvas J-V para todos os diâmetros.

Comportamento de recuperação reversa foi medido usando circuito de teste na Fig. 3a. Uma tensão de onda quadrada (+20 V a –20 V) aciona o dispositivo; a corrente transitória é capturada por sonda de alta velocidade em osciloscópio Tektronix MDO 4104-3. A forma de onda de recuperação reversa (Fig. 3b) define tempo de armazenamento t_a, atraso de corrente reversa t_b e tempo de recuperação T_rr (tempo para 10% da corrente reversa de pico). A carga de recuperação reversa Q_rr é obtida integrando a corrente reversa até T_rr.

a Circuito de teste para medição de recuperação reversa. b Esquemático da forma de onda de recuperação reversa.

A Figura 4 exibe as correntes de recuperação reversa para todos os diâmetros de eletrodo. Os valores de T_rr são 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 e 24,5 ns para dispositivos de 100, 200, 300, 400 e 500 µm, respectivamente. Valores correspondentes de Q_rr são 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 e 0,405 nC. Todos os dispositivos alcançam tempos de recuperação sub-25-ns, e o menor dispositivo exibe a recuperação mais rápida. Tanto T_rr quanto Q_rr aumentam com área do eletrodo.

Corrente de recuperação reversa para cada diâmetro de eletrodo.

Para sondar dependência de tensão, repetimos a medição com ±10 V. T_rr permanece essencialmente inalterado, enquanto Q_rr continua a escalar com o quadrado do diâmetro (isto é, área do eletrodo) como mostrado na Fig. 6.

Tempo de recuperação reversa T_rr versus diâmetro do eletrodo d.

Carga de recuperação reversa Q_rr versus diâmetro do eletrodo d.

O mecanismo dominante por trás do comportamento observado é armazenamento mediado por armadilhas em vez de indutância parasita. Distribuição uniforme de armadilhas leva a Q_rr proporcional à área de contato. Consequentemente, a constante de tempo RC cresce com diâmetro do dispositivo, o que explica o aumento linear em T_rr. Reduzir tamanho do eletrodo ou espessura da camada de deriva deve melhorar ainda mais desempenho de recuperação, conforme corroborado por nosso trabalho anterior [29].

Dependência de temperatura foi avaliada para dispositivo de 500 µm (Fig. 7). Tempo e carga de recuperação reversa permanecem inalterados entre 300–500 K, indicando que concentrações de armadilhas são insensíveis à temperatura em GaN, diferente de SBDs baseados em Si, onde T_rr pode aumentar >190% entre 300 e 425 K [17]. A superior estabilidade térmica do GaN fundamenta sua adequação para chaveamento de potência em alta temperatura.

Características de recuperação reversa para dispositivo de 500 µm a 300, 400 e 500 K.

Conclusões

Fabricamos diodos Schottky verticais de GaN em substratos auto-sustentados dopados com Ge crescidos por HVPE. Catodoluminescência e medições elétricas confirmam alta qualidade cristalina e excelente desempenho eletrônico. Testes de recuperação reversa revelam tempos de 15,8 a 24,5 ns para dispositivos variando de 100 a 500 µm de diâmetro, com tanto T_rr quanto Q_rr escalando positivamente com área do eletrodo. Estas descobertas fornecem referência para otimizar SBDs baseados em GaN para aplicações de potência de alta velocidade e alta temperatura.

Abreviações

CL

Catodoluminescência

C-V

Capacitância-tensão

DUT

Dispositivo sob teste

FS

Auto-sustentado

GaN

Nitreto de gálio

HVPE

Epitaxia de fase de vapor de hidreto

I-V

Corrente-tensão

SBDs

Diodos de barreira Schottky

SEM

Microscópio eletrônico de varredura