Diodo Regulador de Corrente com Bloqueio Reverso AlGaN/GaN de Alta Precisão com Cátodo de Trincheira Híbrido

Resumo

Um novo diodo regulador de corrente com bloqueio reverso (RB-CRD) AlGaN/GaN lateral apresentando ânodo Schottky de trincheira e cátodo de trincheira híbrido foi experimentalmente realizado em substrato de silício. O diodo de barreira Schottky (SBD) integrado entrega tensão de ligação de 0,7 V e tensão de ruptura reversa de 260 V. O cátodo de trincheira híbrido funciona como diodo regulador de corrente (CRD) em série com o SBD do ânodo, resultando em tensão de joelho de 1,3 V e operação direta acima de 200 V. O RB-CRD mantém corrente de saída estável entre 25-300 °C, com pequeno coeficiente de temperatura negativo inferior a –0,152%/°C.

Fundamentação

Semicondutores de larga banda proibida estão remodelando eletrônica de alta potência, alta frequência e alta temperatura. GaN destaca-se devido à sua grande banda proibida, alta mobilidade eletrônica e campo elétrico crítico [1-5]. Polarização espontânea e piezoelétrica da heterointerface AlGaN/GaN cria gás eletrônico bidimensional (2DEG) de alta densidade, permitindo dispositivos de baixa resistência em ligação com altas tensões de ruptura. Plataforma GaN-no-silício (GaN-on-Si) combina estas vantagens com maturidade e custo-efetividade de wafers de silício e processos CMOS [6-8], e ampla gama de dispositivos de potência já demonstrados neste substrato [9-16]. Adicionar novos dispositivos funcionais como RB-CRD pode ampliar espaço de aplicação e acelerar comercialização de tecnologia AlGaN/GaN-on-Si.

O RB-CRD, ilustrado na Fig. 1a, funde ânodo Schottky de trincheira com cátodo de trincheira híbrido. O dispositivo comporta-se como SBD em série com CRD. Um uso promissor é carregamento de bateria (Fig. 1b): CRD fornece corrente constante à bateria, enquanto SBD polarizado reversamente previne descarga reversa quando tensão de entrada cai abaixo da tensão da bateria [17-19].

Métodos

Empilhamento epitaxial AlGaN/GaN crescido em Si 6 polegadas (111) por deposição química de vapor organometálico (MOCVD). Composição de camadas: 2 nm GaN cap, 23 nm barreira AlGaN, 1 nm intercamada AlN, 300 nm canal GaN, e 3,5 µm buffer. Medidas Hall mostram densidade 2DEG de 9,5×10¹² cm⁻² e mobilidade de 1500 cm²/V·s. Sequência de fabricação (Fig. 2) começa com trincheira rasa atacada por processo ICP Cl₂/BCl₃ de baixa potência (7 nm/min a 20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃). Isolamento de mesa e trincheira de ânodo seguem. Contatos ôhmicos Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm) depositados por evaporação e-beam e recozidos a 880 °C por 35 s em N₂, resultando em resistência ôhmica de 1,1 Ω·mm e resistência de folha de 400 Ω/□. Finalmente, pilha Schottky Ni/Au (50/300 nm) depositada. Espaçamento ânodo-cátodo (L_AC) é 4 µm; comprimento contato ôhmico (L_O) 0,5 µm; comprimento contato Schottky (L_S) 1 µm, com sobressalente (L_E) 0,5 µm.

Resultados e Discussão

Imageamento AFM (Fig. 3a) revela fundo de trincheira notavelmente liso com rugosidade 0,3 nm, ideal para contato metal-semicondutor confiável. O recesso de 17 nm da trincheira deixa barreira AlGaN de 8 nm, assegurando que 2DEG permanece ativo em polarização zero (Fig. 3b).

Operação do RB-CRD pode ser visualizada em três regimes de polarização (Fig. 4). Em polarização zero, dispositivo comporta-se como HEMT modo de depleção Schottky-dreno. Com polarização negativa do ânodo, SBD do ânodo é polarizado reversamente e dispositivo bloqueia corrente, atuando como SBD polarizado reversamente. Quando tensão do ânodo excede ligação do SBD (≈1 mA/mm), elétrons fluem do contato ôhmico do cátodo para contato Schottky do ânodo; simultaneamente, junção Schottky do cátodo é polarizada reversamente, depletando 2DEG sob região Schottky e direcionando corrente para saturação. Este fluxo de corrente auto-regulado resulta em corrente de saída estável.

Características I-V diretas dependentes de temperatura (Fig. 5a) mostram tensão de joelho (V_k) de 1,3 V a 80% da corrente de regulação, superando CRDs previamente reportados (≈0,6 V) [20, 21] devido ao adicional 0,7 V queda através do SBD do ânodo. À medida que temperatura sobe de 25 °C a 300 °C, tensão de ligação do SBD desloca para baixo, consistente com teoria de emissão termiônica. Dispositivo sustenta corrente estável até 200 V (Fig. 5b), superando CRDs baseados em Si comerciais [22-24]. A 25 °C, razão de corrente I_200V/I_25V é 0,998, confirmando estabilidade excepcional. Estabilidade térmica é ainda destacada por coeficiente de temperatura inferior a –0,152%/°C, derivado da relação I-T α = (I₁-I₀)/[I₀(T₁-T₀)] × 100%.

Tensão de ruptura reversa atinge pico de 260 V a 25 °C, correspondendo a campo elétrico crítico médio de 0,65 MV/cm. No entanto, corrente de fuga reversa aumenta em duas ordens de magnitude quando temperatura elevada a 300 °C, como mostrado na Fig. 6.

Conclusões

Introduzimos primeiro RB-CRD AlGaN/GaN-on-Si que combina ânodo Schottky de trincheira com cátodo de trincheira híbrido. Dispositivo atinge tensão de joelho de 1,3 V, opera confiavelmente acima de 200 V, e suporta 260 V ruptura reversa. Sua corrente de saída mostra precisão notável com coeficiente de temperatura negativo abaixo de –0,152%/°C. Estes atributos posicionam RB-CRD como forte candidato para eletrônica de potência GaN de próxima geração, especialmente em carregamento de bateria e outras aplicações de corrente constante.

Abreviações

2DEG:

Gás eletrônico bidimensional

AFM:

Microscópio de força atômica

ICP:

Plasma acoplado indutivamente

MOCVD:

Deposição química de vapor organometálico

RB-CRD:

Diodo regulador de corrente com bloqueio reverso

SBD:

Diodo de barreira Schottky