Hochpräziser AlGaN/GaN Reverse-Blocking Stromregel-Dioden mit Hybrid-Trench-Kathode

Zusammenfassung

Ein neuartiger AlGaN/GaN lateraler Reverse-Blocking Stromregel-Dioden (RB-CRD) mit Trench-Schottky-Anode und Hybrid-Trench-Kathode wurde experimentell auf einem Siliziumsubstrat realisiert. Die integrierte Schottky-Barriere-Diode (SBD) liefert eine Einschaltspannung von 0,7 V und eine Sperrschichtdurchbruchspannung von 260 V. Die Hybrid-Trench-Kathode fungiert als Stromregel-Diode (CRD) in Serie mit der Anoden-SBD, was eine Kniespannung von 1,3 V und Vorwärtsbetrieb über 200 V ergibt. Der RB-CRD hält einen stabilen Ausgangsstrom über 25–300 °C, mit einem kleinen negativen Temperaturkoeffizienten von weniger als –0,152 %/°C.

Hintergrund

Weitbandlücken-Halbleiter verändern Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperatur-Elektronik. GaN sticht durch seine große Bandlücke, hohe Elektronenbeweglichkeit und kritisches elektrisches Feld hervor. Die spontane und piezoelektrische Polarisation der AlGaN/GaN-Heterogrenzfläche erzeugt ein hochdichtes zweidimensionales Elektronengas (2DEG), was Geräte mit niedrigem Einschaltwiderstand und hohen Durchbruchsspannungen ermöglicht. Die GaN-auf-Silizium (GaN-on-Si) Plattform vereint diese Vorteile mit der Reife und Kosteneffizienz von Siliziumwafern und CMOS-Prozessen, und eine breite Palette von Leistungshalbleitern wurde bereits auf diesem Substrat demonstriert. Das Hinzufügen neuer funktionaler Geräte wie dem RB-CRD kann den Anwendungsraum erweitern und die Kommerzialisierung der AlGaN/GaN-on-Si-Technologie beschleunigen.

Der RB-CRD, illustriert in Abb. 1a, vereint eine Trench-Schottky-Anode mit einer Hybrid-Trench-Kathode. Das Gerät verhält sich wie eine SBD in Serie mit einer CRD. Ein vielversprechender Anwendungsfall ist Batterieladen (Abb. 1b): Die CRD liefert einen konstanten Strom zur Batterie, während die umgekehrt vorgespannte SBD Entladung verhindert, wenn die Eingangsspannung unter die Batteriespannung fällt.

a Schematischer Querschnitt des RB-CRD. b Schaltbild des Batterieladens mit dem RB-CRD

Methoden

Der epitaktische AlGaN/GaN-Stapel wurde auf 6-Zoll (111) Si durch Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet. Schichtzusammensetzung: 2 nm GaN-Kappe, 23 nm AlGaN-Barriere, 1 nm AlN-Zwischenschicht, 300 nm GaN-Kanal und 3,5 µm Puffer. Hall-Messungen zeigen eine 2DEG-Dichte von 9,5×10¹² cm⁻² und Beweglichkeit von 1500 cm²/V·s. Die Fertigungssequenz (Abb. 2) beginnt mit einem flachen Trench, geätzt durch einen niederleistungs-Cl₂/BCl₃-ICP-Prozess (7 nm/min bei 20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃). Mesa-Isolierung und Anoden-Trenching folgen. Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm) ohmsche Kontakte werden durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden und bei 880 °C für 35 s in N₂ geglüht, was einen ohmschen Widerstand von 1,1 Ω·mm und Schichtwiderstand von 400 Ω/□ ergibt. Schließlich wird ein Ni/Au (50/300 nm) Schottky-Stapel abgeschieden. Der Anoden-Kathoden-Abstand (L_AC) beträgt 4 µm; die ohmsche Kontaktlänge (L_O) 0,5 µm; die Schottky-Kontaktlänge (L_S) 1 µm, mit Überhang (L_E) von 0,5 µm.

Herstellungsprozess-Flow des RB-CRD

a AFM-Bilder der Kathoden-Trench. b Höhenprofil aus der Kathoden-Trench

Ergebnisse und Diskussion

AFM-Bildgebung (Abb. 3a) offenbart einen bemerkenswert glatten Trench-Boden mit 0,3 nm Rauheit, ideal für zuverlässigen Metall-Halbleiter-Kontakt. Der 17 nm tiefe Trench lässt eine 8 nm AlGaN-Barriere zurück, was sicherstellt, dass das 2DEG bei Nullvorspannung aktiv bleibt (Abb. 3b).

Der RB-CRD-Betrieb kann in drei Vorspannungsregimen visualisiert werden (Abb. 4). Bei Nullvorspannung verhält sich das Gerät wie ein Schottky-Drain Depletion-Mode HEMT. Mit negativer Anodenvorspannung ist die Anoden-SBD umgekehrt vorgespannt und das Gerät blockiert Strom, fungiert als umgekehrt vorgespannte SBD. Wenn die Anodenspannung die SBD-Einschaltspannung übersteigt (≈1 mA/mm), fließen Elektronen vom Kathoden-ohmschen Kontakt zum Anoden-Schottky-Kontakt; gleichzeitig ist der Kathoden-Schottky-Übergang umgekehrt vorgespannt, entleert das 2DEG unter dem Schottky-Bereich und treibt den Strom zur Sättigung. Dieser selbstregulierte Stromfluss ergibt einen stabilen Ausgangsstrom.

Schematischer Betriebsmechanismus des RB-CRD unter a Nullvorspannung, b Sperrvorspannung, und c Vorwärtsvorspannung

Temperaturabhängige Vorwärts-I-V-Kennlinien (Abb. 5a) zeigen eine Kniespannung (V_k) von 1,3 V bei 80 % des Regelstroms, übertreffend bisher berichtete CRDs (≈0,6 V) aufgrund des zusätzlichen 0,7 V Abfalls über der Anoden-SBD. Mit Temperaturanstieg von 25 °C auf 300 °C verschiebt sich die SBD-Einschaltspannung nach unten, konsistent mit thermionischer Emissionstheorie. Das Gerät hält einen stabilen Strom bis 200 V (Abb. 5b), übertrifft kommerzielle Si-basierte CRDs. Bei 25 °C beträgt das Stromverhältnis I_200V/I_25V 0,998, was außergewöhnliche Stabilität bestätigt. Thermische Stabilität wird durch einen Temperaturkoeffizienten von weniger als –0,152 %/°C weiter hervorgehoben, abgeleitet aus der I-T-Beziehung α=(I₁-I₀)/[I₀(T₁-T₀)]×100%.

Temperaturabhängige Vorwärtsvorspannung I-V-Kennlinien des RB-CRD. Anodenspannungsbereiche: a 0–2 V, b 0–200 V

Die Sperrschichtdurchbruchspannung erreicht 260 V bei 25 °C, entsprechend einem durchschnittlichen kritischen elektrischen Feld von 0,65 MV/cm. Allerdings steigt der Sperrleckstrom um zwei Größenordnungen, wenn die Temperatur auf 300 °C erhöht wird, wie in Abb. 6 gezeigt.

Temperaturabhängige Sperrvorspannung I-V-Kennlinien des RB-CRD

Fazit

Wir haben einen ersten AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD vorgestellt, der eine Trench-Schottky-Anode mit einer Hybrid-Trench-Kathode kombiniert. Das Gerät erreicht eine Kniespannung von 1,3 V, arbeitet zuverlässig über 200 V und hält 260 V Sperrschichtdurchbruch stand. Sein Ausgangsstrom zeigt bemerkenswerte Genauigkeit mit einem negativen Temperaturkoeffizienten unter –0,152 %/°C. Diese Attribute positionieren den RB-CRD als starken Kandidaten für nächste Generation GaN-Leistungselektronik, besonders in Batterielade- und anderen Konstantstrom-Anwendungen.

Abkürzungen

2DEG:

Zweidimensionales Elektronengas

AFM:

Rasterkraftmikroskop

ICP:

Induktiv gekoppeltes Plasma

MOCVD:

Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung

RB-CRD:

Reverse-Blocking Stromregel-Diode

SBD:

Schottky-Barriere-Diode