Schnelle Rückwärts-Rekonvaleszenz in Ge-dotierten vertikalen GaN-Schottky-Barriere-Dioden

Zusammenfassung

Vertikale GaN-Schottky-Barriere-Dioden (SBDs), auf Ge-dotierten freistehenden GaN-Substraten gezüchtet, zeigen überlegene Kristallqualität und elektrische Leistung. Kathodolumineszenz-Bildgebung offenbart eine uniforme Versetzungsdichte von ≈1,3×10⁶ cm⁻². Die Bauelemente präsentieren eine niedrige Einschaltspannung V_on von 0,70–0,78 V und ein I_on/I_off-Verhältnis von 9,9×10⁷ bis 1,3×10¹⁰. Rückwärts-Rekonvaleszenz-Messungen ergeben Zeiten von 15,8–24,5 ns für 100–500 µm Durchmesser, wobei sowohl Rekonvaleszenzzeit als auch -ladung positiv mit der Elektrodenfläche korrelieren.

Einleitung

Weitbandlücken-Halbleiter, insbesondere GaN, sind für nächste Generation Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Hochleistungs-Elektronik entscheidend geworden. Jüngste Fortschritte in der Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) ermöglichen nun kommerzielles Wachstum von niedrigversetzungsdichten GaN-Substraten (≤10⁶ cm⁻²). Vertikale Bauelementarchitekturen auf diesen Substraten bieten größere Stromdichten, reduzierte Leckagepfade und erhöhte Zuverlässigkeit im Vergleich zu lateralen Designs.

GaN-basierte Schottky-Barriere-Dioden sind kritische Komponenten in Leistungsschaltkreisen. Ihre unipolare Natur eliminiert Minderheitsträgerspeicherung, was hohe Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Rückwärts-Rekonvaleszenz-Verluste ergibt. Allerdings bleiben systematische Untersuchungen des Rückwärts-Rekonvaleszenz-Verhaltens in vertikalen GaN-SBDs rar. Diese Arbeit schließt diese Lücke, indem sie Ge-dotierte vertikale SBDs auf freistehendem GaN fertigt und ihre Rückwärts-Rekonvaleszenz-Leistung rigoros evaluiert.

Ge ist ein attraktiver n-Typ-Dotierstoff für GaN, der flache Aktivierung (≈20 meV) bietet, vergleichbar mit Si, während er aufgrund seines Ionenradius weniger Gitterverzerrung induziert. Ge-Dotierung wird berichtet, glattere Oberflächen und reduzierte Defektdichten zu erzeugen, und verbessert die thermische Stabilität, eine Schlüsselanforderung für Hochtemperaturbauelemente. Hier präsentieren wir die erste systematische Untersuchung der Rückwärts-Rekonvaleszenz-Charakteristiken in Ge-dotierten vertikalen GaN-SBDs.

Methoden und Experimente

Die Bauelementarchitektur ist in Abb. 1a illustriert: ein 390-µm dickes freistehendes n⁺-GaN-Substrat, überlagert von einer 9-µm n⁻-GaN-Driftschicht. Das Substrat, gewachsen durch HVPE, incorporiert 1×10¹⁸ cm⁻³ Ge und weist eine Versetzungsdichte von 1×10⁶ cm⁻² auf. Die epitaktische Schicht wurde durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung bei ≈2 µm h⁻¹ abgeschieden.

Die Bauelementfertigung umfasste Ti/Al/Ni/Au-Ohmkontakte auf der Rückseite und Ni/Au-Schottky-Elektroden auf der Vorderseite, mit Durchmessern von 100, 200, 300, 400 und 500 µm (Abb. 1b). Vollständige Prozessdetails sind in unseren früheren Berichten verfügbar.

CL-Bildgebung wurde mit einem Quanta 400 FEG SEM bei 10 kV durchgeführt, um Versetzungsverteilung zu kartieren. Kapazitäts-Spannungs (C-V) und Strom-Spannungs (I-V) Messungen employed a Keithley 4200 Analyzer. Temperaturabhängige Tests erstreckten sich von 300–500 K mit einem kundenspezifischen Setup.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1c zeigt die CL-Karte der epitaktischen Schicht. Dunkle Flecken zeigen nicht-strahlende Versetzungszentren; ihre uniforme Verteilung ergibt eine durchschnittliche Dichte von ≈1,3×10⁶ cm⁻², was hochwertiges Kristallwachstum bestätigt.

C-V und G-V-Kurven wurden bei 1 MHz aufgezeichnet (Abb. 2a–b). Aus den 1/C²-V-Plots beträgt die Donatorkonzentration N_d ≈6,2×10¹⁵ cm⁻³. Der Phasenwinkel θ, berechnet via tan⁻¹(2πfC/G), bleibt ≈90°, was minimalen Leckstrom durch die Schottky-Barriere anzeigt (Abb. 2b Inset).

J-V-Kennlinien (Abb. 2c) offenbaren I_on/I_off-Verhältnisse von 9,9×10⁷ bis 1,3×10¹⁰ und V_on-Werte zwischen 0,70 und 0,78 V über alle Durchmesser, was exzellente elektronische Leistung demonstriert.

Rückwärts-Rekonvaleszenz-Verhalten wurde mit dem Testkreis in Abb. 3a gemessen. Eine Rechteckspannung (+20 V bis –20 V) treibt das Bauelement an; der transiente Strom wird durch eine Hochgeschwindigkeitssonde an einem Tektronix MDO 4104-3 Oszilloskop erfasst. Das Rückwärts-Rekonvaleszenz-Wellenform (Abb. 3b) definiert Speicherzeit t_a, Rückstrom-Verzögerung t_b und Rekonvaleszenzzeit T_rr (Zeit bis 10 % des Spitzen-Rückstroms). Die Rückwärts-Rekonvaleszenz-Ladung Q_rr wird durch Integration des Rückstroms bis T_rr erhalten.

Abbildung 4 zeigt die Rückwärts-Rekonvaleszenz-Ströme für alle Elektrodendurchmesser. Die T_rr-Werte betragen 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 und 24,5 ns für 100, 200, 300, 400 und 500 µm Bauelemente. Entsprechende Q_rr-Werte sind 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 und 0,405 nC. Alle Bauelemente erreichen Sub-25-ns-Rekonvaleszenzzeiten, und das kleinste Bauelement zeigt die schnellste Rekonvaleszenz. Sowohl T_rr als auch Q_rr nehmen mit der Elektrodenfläche zu.

Um die Spannungsabhängigkeit zu prüfen, wiederholten wir die Messung mit ±10 V. T_rr bleibt im Wesentlichen unverändert, während Q_rr weiterhin mit dem Quadrat des Durchmessers (d.h. Elektrodenfläche) skaliert, wie in Abb. 6 gezeigt.

Der dominierende Mechanismus hinter dem beobachteten Verhalten ist fallen-vermittelte Speicherung statt parasitären Induktivitäten. Uniforme Fallenverteilung führt zu einer Q_rr proportional zur Kontaktfläche. Folglich wächst die RC-Zeitkonstante mit dem Bauelementdurchmesser, was den linearen Anstieg von T_rr erklärt. Die Reduzierung der Elektrodengröße oder der Driftschichtdicke sollte die Rekonvaleszenzleistung weiter verbessern, wie durch unsere frühere Arbeit bestätigt.

Temperaturabhängigkeit wurde für das 500-µm-Bauelement evaluiert (Abb. 7). Rückwärts-Rekonvaleszenzzeit und -ladung bleiben über 300–500 K unverändert, was anzeigt, dass Fallenkonzentrationen in GaN temperaturunempfindlich sind, im Gegensatz zu Si-basierten SBDs, wo T_rr zwischen 300 und 425 K um >190 % zunehmen kann. Die überlegene thermische Stabilität von GaN untermauert seine Eignung für Hochtemperatur-Leistungsschaltung.

Schlussfolgerungen

Wir fertigten vertikale GaN-Schottky-Barriere-Dioden auf Ge-dotierten freistehenden Substraten, gewachsen durch HVPE. Kathodolumineszenz und elektrische Messungen bestätigen hohe Kristallqualität und exzellente elektronische Leistung. Rückwärts-Rekonvaleszenz-Tests offenbaren Zeiten von 15,8 bis 24,5 ns für Bauelemente von 100 bis 500 µm Durchmesser, wobei sowohl T_rr als auch Q_rr positiv mit der Elektrodenfläche skalieren. Diese Ergebnisse liefern einen Benchmark für die Optimierung GaN-basierter SBDs für Hochgeschwindigkeits-, Hochtemperatur-Leistungsanwendungen.

Abkürzungen

CL

Kathodolumineszenz

C-V

Kapazitäts-Spannung

DUT

Device under test

FS

Freistehend

GaN

Galliumnitrid

HVPE

Hydrid-Gasphasenepitaxie

I-V

Strom-Spannung

SBDs

Schottky-Barriere-Dioden

SEM

Rasterelektronenmikroskop