Diodo Schottky de Barreira AlGaN/GaN com Dupla Heterojunção em Si: Análise Teórica e Experimental Combinada

Resumo

Um diodo Schottky de barreira (SBD) AlGaN/GaN com dupla heterojunção é investigado teórica e experimentalmente no GaN/AlGaN/GaN/Si-sub. Gás de lacunas bidimensional (2DHG) e gás de elétrons bidimensional (2DEG) são formados na interface GaN-topo/AlGaN e AlGaN/GaN, respectivamente. No estado desligado, o 2DEH e 2DHG são parcialmente depletados e então desaparecem completamente. Restam as cargas de polarização fixas positivas e negativas, formando a junção de polarização. Portanto, um campo elétrico plano na região de deriva e uma alta tensão de ruptura (BV) são obtidos. Além disso, o ânodo é recuado para reduzir a tensão de ligação (V_ON). O processo de gravação ICP de baixo dano resulta em contatos Schottky melhorados, e uma baixa corrente de fuga e um baixo V_ON são obtidos. O SBD fabricado exibe BV de 1109 V com distância ânodo-cátodo (L_AC) de 11 μm. Os SBDs fabricados alcançam um baixo V_ON de 0,68 V com boa uniformidade, alta razão corrente ligado/desligado ∼ 10¹⁰ à temperatura ambiente, baixa resistência específica de ligação (R_ON,SP) de 1,17 mΩ cm², e alta figura de mérito de Baliga (FOM) de 1051 MW/cm².

Introdução

Diodo lateral baseado em heterostructura AlGaN/GaN é um dispositivo atraente devido à alta mobilidade de elétrons do gás de elétrons bidimensional (2DEG), alta velocidade de saturação de elétrons e alto campo elétrico de ruptura [1–3]. Esforços extensivos têm sido feitos para alcançar baixa tensão de ligação (V_ON), baixa corrente de fuga reversa e alta tensão de ruptura (BV) para diodos GaN usados em conversores e inversores para fontes de alimentação e correção de fator de potência [4–12]. Várias abordagens foram propostas para resolver a distribuição não uniforme do campo elétrico. Uma delas é a tecnologia de placa de campo (FP) [5, 13]. Um SBD com ânodo totalmente recuado com placa de campo dupla atinge alta tensão de ruptura de 1,9 kV com 25 μm L_AC [5]. Também pode reduzir significativamente a tensão de ligação mantendo alta tensão de ruptura. Além disso, o conceito convencional REduced SURface Field (RESURF) comumente empregado em tecnologia de silício foi demonstrado em HEMT GaN [14]. Ademais, a junção de polarização (PJ) consistindo do gás de lacunas bidimensional (2DHG) acima do 2DEG é proposta para melhorar a relação entre resistência específica de ligação (R_ON,SP) e BV [15–18]. Dispositivos baseados em GaN baseados no conceito PJ foram demonstrados em substratos de Safira e SiC, enquanto o alto custo e pequenos diâmetros dos substratos GaN em SiC vão contra a aplicação comercial em massa. GaN-em-Si com grande diâmetro é considerado uma escolha promissora devido ao baixo custo [19–22]. Portanto, o desempenho do diodo PJ em substratos de silício é digno de estudo.

Neste trabalho, propomos e demonstramos experimentalmente um diodo Schottky de barreira GaN/AlGaN/GaN-em-Si com dupla heterojunção (DJ). O efeito de junção de polarização é confirmado por simulações e experimentos. Campo elétrico plano (E-field) entre eletrodos de ânodo e cátodo é alcançado. O processo ICP para gravar vala Schottky é otimizado para alcançar baixa corrente de fuga reversa e baixo V_ON com excelente uniformidade de gravação. O processo de contato ôhmico também é otimizado para alcançar baixa resistência de contato (para 2DEG) baseada na camada epitaxial personalizada (com 45 nm GaN-topo). Portanto, tensão de ruptura de 1109 V é alcançada para os SBDs com 11 μm L_AC e figura de mérito de Baliga (FOM) é 1051 MW/cm². A dependência de temperatura e desempenho dinâmico de R_ON,SP também são investigados.

Método e Experimento

A camada epitaxial foi crescida por deposição química de vapor metalorgânica em silício tipo-p de 6 pol, consistindo de camada de buffer GaN de 3,5 μm, camada de canal GaN de 150 nm, intercamada AlN de 1 nm, camada de barreira Al_0,25Ga_0,75N de 45 nm e camada GaN-topo de 45 nm de baixo para topo. A camada GaN-topo inclui camada p-GaN de 35 nm e camada GaN não dopada de 10 nm. Para uma dada espessura de AlGaN de 45 nm, a densidade de 2DHG aumenta com o aumento da espessura de GaN-topo [22]. A camada GaN-topo espessa é vital para a alta densidade de 2DHG, enquanto vai contra a baixa resistência de contato ôhmico (para 2DEG). As vistas esquemáticas do diodo Schottky de barreira de dupla heterojunção (DJ SBD) proposto são mostradas na Fig. 1a. A fabricação do SBD começou com isolamento de mesa por gravação de plasma acoplado indutivamente (ICP) baseada em Cl₂/BCl₃ a uma profundidade de 300 nm. Então, a vala ôhmica e a vala do ânodo Schottky foram formadas com o processo de gravação ICP de baixo dano. A profundidade da vala ôhmica e da vala do ânodo Schottky foi 50 nm e 90 nm, respectivamente, confirmada usando microscopia de força atômica (AFM). Solução de hidróxido de tetrametilamônio (TMAH) a 85 °C por 15 min foi introduzida para remover resíduos pós-gravação e modificar a parede lateral da vala após terminar o processo de gravação [23]. Então, recozimento a 400 °C por 10 min em atmosfera N₂ foi realizado. O cátodo ôhmico foi subsequentemente formado por evaporação por feixe de elétrons de Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm), recozido a 870 °C por 35 s em atmosfera N₂, com resistência de contato (R_C) de 0,49 Ω·mm. Finalmente, metal do ânodo e interconexões foram depositados por Ni/Au para completar o fluxo de fabricação. Os dispositivos apresentavam vários L_AC de 7 a 11 μm. A Figura 1b mostra a imagem de seção transversal HR-TEM de alta resolução do ânodo após ICP e deposição de metal, e a estrutura de camadas foi observada claramente.

a Seção transversal do SBD AlGaN/GaN de dupla heterojunção proposto e processo principal de fabricação. L_AC é o comprimento de ânodo a cátodo. L_FP e L₁ são 1 μm e 2 μm, respectivamente. b Imagem HR-TEM do ânodo após ICP e deposição de metal.

O 2DEG é induzido pelas cargas de polarização positivas ao longo da interface AlGaN/GaN. A interface superior GaN/AlGaN tem cargas de polarização negativas e, portanto, gera 2DHG na interface superior [15]. A lacuna entre a região de deriva e o cátodo (L₁) é usada para cortar o caminho de corrente de lacunas como mostrado na Fig. 2. Investigamos apenas a influência de L₁ de 2 a 3 μm nas características de bloqueio direto e reverso devido ao limite do design de layout original. O V_ON e R_ON,SP não mostram mudança porque L₁ não afeta o contato Schottky e o caminho de corrente de elétrons. Além disso, o BV diminui ligeiramente com o aumento de L₁ devido à região de deriva encurtada. O mecanismo de operação dos DJ SBDs sob polarização direta é quase o mesmo dos SBDs convencionais, significando que 2DHG dificilmente afeta o caminho de corrente de elétrons do cátodo ao ânodo. Com o aumento da tensão de polarização reversa, o 2DEG e 2DHG são totalmente depletados. Restam cargas de polarização fixas positivas e negativas, que formam a junção de polarização. Como resultado, uma distribuição de campo E plana entre o cátodo e ânodo é obtida (Fig. 3).

Análise do mecanismo de operação dos DJ SBDs a polarização zero e b polarização reversa.

Distribuição de campo elétrico ao longo da heterointerface de canal AlGaN/GaN por simulação TCAD. A fração de Al é definida como 0,25. A densidade de aceitador líquido (nível profundo) na camada de buffer é definida como 1,5 × 10¹⁶ cm⁻³ e o nível de energia é 0,45 eV abaixo do mínimo da banda de condução. A densidade de aceitador da interface AlGaN/GaN é definida como 6 × 10¹² cm⁻³ e o nível de energia é 0,23 eV abaixo do mínimo da banda de condução.

Como mostrado na Fig. 3, a característica de ruptura e mecanismo de junção de polarização foram confirmados por TCAD 2-D Sentaurus da Synopsys. Consideramos vários fenômenos físicos importantes na simulação, incluindo estreitamento de lacuna de banda, polarização, mobilidade de elétrons/lacunas, ionização por impacto e recombinação SRH.

Medição de efeito Hall foi adotada para determinar os valores de densidade e mobilidade de 2DHG ou 2DEG [22]. As medições foram realizadas pelo método Van der Pauw à temperatura ambiente. Para medir 2DHG de acordo com Ref. [17], amostras de medição Hall foram fabricadas com contatos ôhmicos Ni/Au. A densidade e mobilidade do 2DHG foram 9 × 10¹² cm⁻² e 15 cm²/V·s, respectivamente. O 2DEG foi medido pelas amostras com recuo de GaN-topo e AlGaN parcialmente fabricadas com contatos ôhmicos Ti/Al/Ni/Au (para 2DEG). A densidade e mobilidade do 2DEG foram 8,5 × 10¹² cm⁻² e 970 cm²/V·s, respectivamente. As medições de Hall mostraram que a mobilidade de lacunas ainda era muito menor que a mobilidade de volume acima de 100 cm²/V·s. A degradação da mobilidade foi atribuída à difusão de Mg do p-GaN para o GaN não dopado durante o crescimento MOCVD.

Resultados e Discussão

As características I-V diretas medidas dos SBDs com vários L_AC são plotadas na Fig. 4a e b. A tensão de ligação (V_ON) é 0,68 V com uma pequena variação de 0,02 V. O fator de idealidade e a altura de barreira dos SBDs são calculados como 1,44 ± 0,15 e 0,76 ± 0,04 eV, respectivamente. A Figura 4a mostra que alta densidade de corrente direta de 183 mA/mm e 144 mA/mm (@ polarização direta de 2,5 V) e resistência de ligação de 0,642 e 1,17 mΩ cm² são alcançadas a L_AC = 7 e 11 μm, respectivamente. Além disso, uma excelente razão corrente ligado/desligado ∼ 10¹⁰ é obtida como mostrado na Fig. 4b. A inclinação subthreshold (SS) é 63,0 mV/dec, próxima à SS ideal (59,6 mV/dec).

Características I-V de polarização direta medidas dos DJ SBDs em a escala linear e b semi-log com diferentes L_AC.

A Figura 5a mostra as características I-V de bloqueio reverso medidos dos SBDs com vários L_AC a 300 K. A tensão de ruptura dos dispositivos com diferentes L_AC é 803 V, 940 V e 1109 V, respectivamente, a uma corrente de fuga de 1 mA/mm. As densidades de 2DEG e 2DHG são supostas iguais durante a simulação. No entanto, os resultados experimentais mostram que as densidades de 2DHG (9 × 10¹² cm⁻²) são ligeiramente maiores que as de 2DEG (8,5 × 10¹² cm⁻²). A diferença entre as cargas de polarização fixas positivas e negativas durante o estado desligado afeta o equilíbrio de carga e, assim, degrada a tensão de ruptura. A influência de L_AC no BV e R_ON,SP é mostrada na Fig. 5b. Uma relação quase linear entre BV e L_AC é obtida, implicando campo E lateral relativamente plano na região de deriva. Devido ao efeito de junção de polarização, o dispositivo demonstra alta figura de mérito de Baliga (FOM = BV²/R_ON,SP) de 1051 MW/cm² (@ L_AC = 11 μm).

a Características I-V de bloqueio reverso medidos dos DJ SBDs com diferentes L_AC (b) R_ON,SP e BV como funções de L_AC.

O processo de gravação é vital para a interface Schottky de alta qualidade e contato ôhmico. A Figura 6a mostra a morfologia de superfície da vala recuada após a gravação ICP (@ 5 °C) e a solução TMAH. A taxa de gravação é aproximadamente 4,9 nm/min, e a receita final selecionada é com Cl₂ de 4 sccm, potência ICP de 50 W e potência RF de 15 W. A rugosidade quadrática média (RMS) é 0,244 nm com área de varredura de 2 × 2 μm².

a Morfologia AFM da vala após gravação ICP. b Influência da profundidade de gravação na resistência de contato ôhmico por teste TLM. c Resistência de contato como função da temperatura de recozimento com profundidade de vala de 50 a 55 nm. O tempo de recozimento foi 35 s.

Como a camada epitaxial personalizada inclui camada GaN-topo de 45 nm e camada AlGaN de 45 nm, o processo de contato ôhmico (para 2DEG) é diferente dos SBDs convencionais. Sem recuar tanto a camada GaN-topo quanto a camada de barreira AlGaN, baixa resistência de contato é difícil de ser alcançada por recozimento devido à barreira de potencial entre o metal ôhmico e o 2DEG. No entanto, se a barreira for recuada excessivamente, a liberação de tensão leva a uma redução na concentração de 2DEG. Processos extras são adotados para reduzir a resistência de contato ôhmico. As superfícies das amostras são tratadas pela solução de HCl para remover camada de óxido nativo antes da deposição. Além disso, o tratamento de superfície por plasma é adotado (potência ICP 50 W BCl₃ 10 sccm 3 min) para introduzir estados doadores de superfície [24]. A Figura 6b demonstra a dependência da resistência de contato na profundidade da vala. A profundidade otimizada é obtida de 50 a 55 nm. O recozimento térmico rápido (RTA) de alta temperatura para o contato Ti/Al/Ni/Au é investigado na Fig. 6c. A temperatura de recozimento varia de 840 a 890 °C, e 870 °C resulta na menor resistência de contato. Recozimento a alta temperatura, ou seja, 870 °C, é propício à formação de TiN na interface Ti/nitreto. No entanto, temperatura mais alta (ex: 890 °C) aumenta a interdiffusão de Au e Al, o que é desvantajoso para a formação de bons contatos ôhmicos.

As Figuras 7a–c exibem os gráficos estatísticos das características estáticas incluindo V_ON, V_F e BV. Os dados são extraídos de 72 SBDs com L_AC de 7, 9 e 11 μm fabricados em 3 corridas de processo separadas. Os dispositivos exibem características de ligação direta estáveis e o V_ON é independente de L_AC, porque V_ON é determinado principalmente pelo contato Schottky. O processo de gravação ICP de baixo dano, a profundidade de vala precisamente controlada e a interface Schottky de alta qualidade contribuem para a excelente uniformidade do V_ON e V_F. Além disso, com o aumento de L_AC (de 7 a 11 μm), há um aumento monótono (∼ 100 V/μm) no BV observado nas estruturas propostas. A Figura 7d mostra as estatísticas de histograma do V_ON para 72 dispositivos, e o valor médio é 0,68 V com um pequeno desvio padrão de 0,02 V.

Gráficos estatísticos de a tensão de ligação, b tensão direta e c tensão de ruptura extraídos de 72 SBDs com L_AC de 7, 9 e 11 μm fabricados em 3 corridas de processo separadas. d Distribuição de V_ON para 72 dispositivos.

A dependência de temperatura das características reversas e diretas é avaliada na Fig. 8. Como mostrado na Fig. 8a, um aumento na temperatura ambiente de 300 a 475 K resulta em um aumento no R_ON,SP por um fator de 1,94.

a Corrente de fuga reversa e b características diretas para os DJ SBDs em diferentes temperaturas.

As características dinâmicas dos DJ SBDs são medidas pelo analisador de dispositivos de potência Agilent B1505A. Os pontos de polarização quiescente do pulso do ânodo são definidos como −10 V, −20 V, −30 V, −40 V, −70 V e −100 V, com largura e período do pulso do ânodo de 0,5 ms/500 ms. A Figura 9b mostra o R_ON,SP dinâmico como função da tensão de estresse. O R_ON,SP dinâmico mesmo a 100 V de tensão de estresse reverso é apenas 1,18 vezes o sem estresse reverso, o que é comparável a Ref. [8]. O aumento limitado no R_ON,SP dinâmico contribui para a redução no estado de interface. A degradação do R_ON,SP dinâmico precisa de mais trabalho.

a Características I-V sob medição por pulso. b R_ON,SP extraído versus base de pulso do ânodo com largura/período de pulso = 0,5 ms/500 ms.

A Figura 10 apresenta o gráfico de benchmark de BV versus R_ON,SP para diodo de potência GaN em substratos Si/SiC/safira [8, 10, 22, 25–31]. O dispositivo proposto com L_AC de 11 μm demonstra BV de 1109 V com R_ON,SP correspondente de 1,17 mΩ cm², levando a alta FOM de Baliga de 1051 MW/cm². Este valor é o melhor resultado entre diodos de potência GaN laterais em substrato Si.

Gráfico de benchmark de BV versus R_ON,SP de diodo de potência GaN em substratos SiC/safira/Si. A fuga reversa usada para definir a ruptura também é dada.

Conclusão

Um SBD GaN/AlGaN/GaN-em-Si de dupla heterojunção com alta figura de mérito é fabricado. O processo de gravação ICP de baixo dano resulta em contatos ôhmicos e Schottky otimizados para o dispositivo proposto. Portanto, um baixo V_ON de 0,68 V com boa uniformidade e um baixo R_ON,SP de 1,17 mΩ cm² são obtidos no dispositivo com L_AC de 11 μm. Uma alta FOM de Baliga de 1051 MW/cm² é alcançada devido ao efeito de junção de polarização. O alto desempenho junto com a tecnologia GaN-em-Si de baixo custo exibe grande potencial para futuras aplicações de potência.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo.

Abreviações

SBD:

Diodo Schottky de barreira

2DEG/2DHG:

Gás de elétrons/lacunas bidimensional

MOCVD:

Deposição química de vapor metalorgânica

ICP:

Plasma acoplado indutivamente

TEM:

Microscópio eletrônico de transmissão

AFM:

Microscópio de força atômica

BV:

Tensão de ruptura

R _ON,SP:

Resistência específica de ligação

V _ON:

Tensão de ligação

FOM:

Figura de mérito

Terapia Direcionada de Glioma: Tetraedros de DNA Modificados com Gint4.T Entregam Doxorrubicina para Inibir Proliferação Celular Impulsionada por PDGFRβ Eletrodos de Fibras Eletrofiadas sem Agente Ligante para Baterias de Íon-Lítio de Alto Desempenho via Montagem Simples por Laminação