Double-Heterojunction AlGaN/GaN Schottky-Barrier-Diode auf Si: Eine kombinierte theoretische und experimentelle Analyse

Zusammenfassung

Eine AlGaN/GaN Schottky-Barrier-Diode (SBD) mit Double-Heterojunction wird theoretisch und experimentell auf GaN/AlGaN/GaN/Si-Substrat untersucht. Ein zweidimensionales Lochgas (2DHG) und Elektronengas (2DEG) werden an der GaN-top/AlGaN- bzw. AlGaN/GaN-Grenzfläche gebildet. Im Sperrzustand werden das 2DEG und 2DHG teilweise depleted und verschwinden dann vollständig. Es bleiben die festen positiven und negativen Polarisationladungen, die die Polarisationse Junction bilden. Daher wird ein flaches elektrisches Feld in der Driftzone und eine hohe Durchbruchspannung (BV) erzielt. Zudem wird die Anode vertieft, um die Einschaltspannung (V_ON) zu reduzieren. Der Low-Damage ICP-Ätzprozess führt zu verbesserten Schottky-Kontakten, und ein niedriger Leckstrom und eine niedrige V_ON werden erzielt. Die gefertigte SBD zeigt eine BV von 1109 V bei Anoden-Kathoden-Abstand (L_AC) von 11 μm. Die gefertigten SBDs erreichen eine niedrige V_ON von 0,68 V mit guter Uniformität, ein hohes Ein/Aus-Stromverhältnis von ∼10¹⁰ bei Raumtemperatur, einen niedrigen spezifischen Einschaltwiderstand (R_ON,SP) von 1,17 mΩ·cm² und einen hohen Baliga's Figure-of-Merit (FOM) von 1051 MW/cm².

Einleitung

AlGaN/GaN-Heterostruktur-basierte laterale Dioden sind attraktive Bauelemente wegen der hohen Elektronenbeweglichkeit des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG), der hohen Elektronensättigungsgeschwindigkeit und des hohen Durchbruchsfeldes. Umfassende Anstrengungen wurden unternommen, um eine niedrige Einschaltspannung (V_ON), einen niedrigen reversen Leckstrom und eine hohe Durchbruchspannung (BV) für GaN-Dioden zu erreichen, die in Konvertern und Invertern für Netzteile und Leistungsfaktorkorrekturen verwendet werden. Verschiedene Ansätze wurden vorgeschlagen, um die nicht-uniforme Verteilung des elektrischen Feldes zu lösen. Einer davon ist die Feldplatten- (FP) Technologie. Eine vollständig vertiefte Anoden-SBD mit dualer Feldplatte erreicht eine hohe Durchbruchspannung von 1,9 kV bei 25 μm L_AC. Sie kann auch die Einschaltspannung signifikant reduzieren, während sie eine hohe Durchbruchspannung beibehält. Zusätzlich wurde das konventionelle REduced SURface Field (RESURF) Konzept, das häufig in der Siliziumtechnologie eingesetzt wird, in GaN HEMT demonstriert. Darüber hinaus wird die Polarisationse Junction (PJ), bestehend aus dem zweidimensionalen Lochgas (2DHG) über dem 2DEG, vorgeschlagen, um das Verhältnis zwischen spezifischem Einschaltwiderstand (R_ON,SP) und BV zu verbessern. GaN-basierte Bauelemente basierend auf dem PJ-Konzept wurden auf Saphir- und SiC-Substraten demonstriert, während die hohen Kosten und kleinen Durchmesser der GaN-on-SiC-Substrate der kommerziellen Massenanwendung entgegenstehen. GaN-on-Si mit großem Durchmesser wird als vielversprechende Wahl aufgrund der niedrigen Kosten betrachtet. Daher ist die Leistung der PJ-Diode auf Siliziumsubstraten einer Untersuchung wert.

In dieser Arbeit schlagen wir eine GaN/AlGaN/GaN-on-Si Schottky-Barrier-Diode mit Double-Heterojunction (DJ) vor und demonstrieren sie experimentell. Der Polarisationse Junction-Effekt wird durch Simulationen und Experimente bestätigt. Ein flaches elektrisches Feld (E-Feld) zwischen Anoden- und Kathodenelektroden wird erreicht. Der ICP-Prozess zum Ätzen des Schottky-Grabens wird optimiert, um einen niedrigen reversen Leckstrom und eine niedrige V_ON mit exzellenter Ätzungleichmäßigkeit zu erreichen. Der ohmsche Kontaktprozess wird ebenfalls optimiert, um einen niedrigen Kontaktwiderstand (für 2DEG) basierend auf der angepassten epitaktischen Schicht (mit 45 nm GaN-top) zu erreichen. Daher wird eine Durchbruchspannung von 1109 V für die SBDs mit 11 μm L_AC und ein Baliga's Figure-of-Merit (FOM) von 1051 MW/cm² erreicht. Die Temperaturabhängigkeit und die dynamische R_ON,SP-Leistung werden ebenfalls untersucht.

Methode und Experiment

Die epitaktische Schicht wurde durch Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf 6-Zoll p-typ Silizium gewachsen, bestehend aus 3,5-μm GaN-Pufferschicht, 150-nm GaN-Kanalschicht, 1-nm AlN-Zwischenschicht, 45-nm Al₀,₂₅Ga₀,₇₅N-Barriereschicht und 45-nm GaN-top-Schicht von unten nach oben. Die GaN-top-Schicht umfasst 35-nm p-GaN-Schicht und 10-nm ungedotete GaN-Schicht. Für eine gegebene AlGaN-Dicke von 45 nm nimmt die 2DHG-Dichte mit der Zunahme der GaN-top-Dicke zu. Die dicke GaN-top-Schicht ist entscheidend für die hochdichte 2DHG, während sie dem niedrigen ohmschen Kontaktwiderstand (für 2DEG) entgegenwirkt. Die schematischen Ansichten der vorgeschlagenen Double-Heterojunction Schottky-Barrier-Diode (DJ SBD) sind in Abbildung 1a gezeigt. Die SBD-Fertigung begann mit der Mesa-Isolierung durch Cl₂/BCl₃-basiertes induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) Ätzen auf eine Tiefe von 300 nm. Dann wurden der ohmsche Graben und der Schottky-Anoden-Graben mit dem Low-Damage ICP-Ätzprozess geformt. Die Tiefe des ohmschen Grabens und des Schottky-Anoden-Grabens betrug 50 nm bzw. 90 nm, was durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) bestätigt wurde. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) Lösung bei 85 °C für 15 min wurde eingeführt, um nachträgliche Ätzrückstände zu entfernen und die Grabenseitenwand nach Abschluss des Ätzprozesses zu modifizieren. Dann wurde ein Glühen bei 400 °C für 10 min in N₂-Atmosphäre durchgeführt. Der ohmsche Kathodenkontakt wurde anschließend durch e-beam verdampftes Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm) gebildet, geglüht bei 870 °C für 35 s in N₂-Atmosphäre, mit einem Kontaktwiderstand (R_C) von 0,49 Ω·mm. Schließlich wurden Anodenmetall und Interconnects durch Ni/Au abgeschieden, um den Fertigungsablauf abzuschließen. Die Bauelemente wiesen verschiedene L_AC von 7 bis 11 μm auf. Abbildung 1b zeigt das hochauflösende Querschnitts-TEM-Bild der Anode nach ICP und Metallabscheidung, und die Schichtstruktur war klar zu beobachten.

Das 2DEG wird durch die positiven Polarisationladungen entlang der AlGaN/GaN-Grenzfläche induziert. Die obere GaN/AlGaN-Grenzfläche hat negative Polarisationladungen und erzeugt daher 2DHG an der oberen Grenzfläche. Der Abstand zwischen der Driftzone und der Kathode (L₁) wird verwendet, um den Lochstrompfad zu unterbrechen, wie in Abbildung 2 gezeigt. Wir haben nur den Einfluss von L₁ von 2 bis 3 μm auf die Vorwärts- und Rückwärts-Sperrcharakteristiken aufgrund der Beschränkung des ursprünglichen Layout-Designs untersucht. V_ON und R_ON,SP zeigen keine Änderung, da L₁ den Schottky-Kontakt und den Elektronenstrompfad nicht beeinflusst. Zusätzlich nimmt die BV leicht mit der Zunahme von L₁ ab, aufgrund der verkürzten Driftzone. Der Betriebsmechanismus der DJ SBDs unter Vorwärtsspannung ist fast der gleiche wie bei konventionellen SBDs, was bedeutet, dass 2DHG den Elektronenstrompfad von der Kathode zur Anode kaum beeinflusst. Mit steigender Rückwärtsspannung werden das 2DEG und 2DHG vollständig depleted. Es bleiben feste positive und negative Polarisationladungen, die die Polarisationse Junction bilden. Als Ergebnis wird eine flache E-Feld-Verteilung zwischen Kathode und Anode erzielt (Abbildung 3).

Wie in Abbildung 3 gezeigt, wurden das Durchbruchscharakteristik und der Polarisationse Junction-Mechanismus durch 2-D Sentaurus TCAD von Synopsys bestätigt. Wir haben mehrere wichtige physikalische Phänomene in der Simulation berücksichtigt, einschließlich Bandlückenverengung, Polarisation, Elektronen/Loch-Beweglichkeit, Impact-Ionisierung und SRH-Rekombination.

Halleffekt-Messung wurde angewendet, um die 2DHG- oder 2DEG-Dichte und Beweglichkeitswerte zu bestimmen. Die Messungen wurden nach der Van-der-Pauw-Methode bei Raumtemperatur durchgeführt. Um 2DHG gemäß Ref. [17] zu messen, wurden Hall-Messproben mit Ni/Au ohmschen Kontakten gefertigt. Die Dichte und Beweglichkeit des 2DHG betrugen 9 × 10¹² cm⁻² bzw. 15 cm²/V·s. Das 2DEG wurde mit Proben gemessen, die GaN-top vertieft und teilweise AlGaN mit Ti/Al/Ni/Au ohmschen Kontakten (für 2DEG) gefertigt hatten. Die Dichte und Beweglichkeit des 2DEG betrugen 8,5 × 10¹² cm⁻² bzw. 970 cm²/V·s. Die Hall-Messungen zeigten, dass die Lochbeweglichkeit immer noch viel niedriger war als die Volumenbeweglichkeit von über 100 cm²/V·s. Die Degradation der Beweglichkeit wurde der Diffusion von Mg aus dem p-GaN in das ungedotete GaN während des MOCVD-Wachstums zugeschrieben.

Ergebnisse und Diskussion

Die gemessenen I-V Vorwärtscharakteristiken der SBDs mit verschiedenen L_AC sind in Abbildung 4a und b dargestellt. Die Einschaltspannung (V_ON) beträgt 0,68 V mit einer kleinen Variation von 0,02 V. Der Idealitätsfaktor und die Barrierehöhe der SBDs werden als 1,44 ± 0,15 bzw. 0,76 ± 0,04 eV berechnet. Abbildung 4a zeigt, dass eine hohe Vorwärtsstromdichte von 183 mA/mm und 144 mA/mm (@ Vorwärtsspannung von 2,5 V) und ein Einschaltwiderstand von 0,642 und 1,17 mΩ·cm² bei L_AC = 7 und 11 μm erreicht werden. Zusätzlich wird ein exzellentes Ein/Aus-Stromverhältnis von ∼10¹⁰ wie in Abbildung 4b gezeigt erzielt. Der Subthreshold-Swing (SS) beträgt 63,0 mV/dec, was nahe am idealen SS (59,6 mV/dec) liegt.

Abbildung 5a zeigt die gemessenen Rückwärts-Sperr I-V Charakteristiken der SBDs mit verschiedenen L_AC bei 300 K. Die Durchbruchspannung der Bauelemente mit verschiedenen L_AC beträgt 803 V, 940 V und 1109 V, jeweils bei einem Leckstrom von 1 mA/mm. Die Dichten von 2DEG und 2DHG sollen während der Simulation gleich sein. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Dichten von 2DHG (9 × 10¹² cm⁻²) leicht höher sind als die von 2DEG (8,5 × 10¹² cm⁻²). Der Unterschied zwischen den festen positiven und negativen Polarisationladungen während des Sperrzustands beeinflusst die Ladungsbilanz und degradiert somit die Durchbruchspannung. Der Einfluss von L_AC auf BV und R_ON,SP ist in Abbildung 5b gezeigt. Eine nahezu lineare Beziehung zwischen BV und L_AC wird erhalten, was das relative flache laterale E-Feld in der Driftzone impliziert. Aufgrund des Polarisationse Junction-Effekts demonstriert das Bauelement einen hohen Baliga's Figure-of-Merit (FOM = BV²/R_ON,SP) von 1051 MW/cm² (@ L_AC = 11 μm).

Der Ätzprozess ist entscheidend für die hochwertige Schottky-Grenzfläche und den ohmschen Kontakt. Abbildung 6a zeigt die Oberflächenmorphologie des vertieften Grabens nach dem ICP-Ätzen (@ 5 °C) und der TMAH-Lösung. Die Ätzrate beträgt ungefähr 4,9 nm/min, und das finale ausgewählte Rezept ist mit Cl₂ von 4 sccm, ICP-Leistung von 50 W und RF-Leistung von 15 W. Die quadratische mittlere (RMS) Rauheit beträgt 0,244 nm bei einem Scanbereich von 2 × 2 μm².

Da die angepasste epitaktische Schicht 45 nm GaN-top-Schicht und 45 nm AlGaN-Schicht umfasst, ist der ohmsche Kontaktprozess (für 2DEG) anders als bei konventionellen SBDs. Ohne Vertiefung sowohl der GaN-top- als auch der AlGaN-Barriereschicht ist es schwierig, einen niedrigen Kontaktwiderstand durch Glühen zu erreichen, wegen der Potenzialbarriere zwischen dem ohmschen Metall und dem 2DEG. Wenn die Barriere jedoch übermäßig vertieft wird, führt die Spannungsfreisetzung zu einer Reduktion der 2DEG-Konzentration. Zusätzliche Prozesse werden angewendet, um den ohmschen Kontaktwiderstand zu reduzieren. Die Oberflächen der Proben werden mit HCl-Lösung behandelt, um die native Oxidschicht vor der Abscheidung zu entfernen. Zusätzlich wird die Plasma-Oberflächenbehandlung angewendet (ICP-Leistung 50 W, BCl₃ 10 sccm, 3 min), um Oberflächen-Donatorzustände einzuführen. Abbildung 6b demonstriert die Abhängigkeit des Kontaktwiderstands von der Grabentiefe. Die optimierte Tiefe wird von 50 bis 55 nm erhalten. Die Hochtemperatur-Schnellthermisches Glühen (RTA) für den Ti/Al/Ni/Au-Kontakt wird in Abbildung 6c untersucht. Die Glühtemperatur reicht von 840 bis 890 °C, und 870 °C ergibt den niedrigsten Kontaktwiderstand. Glühen bei hoher Temperatur, d.h. 870 °C, fördert die Bildung von TiN an der Ti/Nitrid-Grenzfläche. Allerdings erhöht höhere Temperatur (z.B. 890 °C) die Interdiffusion von Au und Al, was nachteilig für die Bildung guter ohmscher Kontakte ist.

Abbildung 7a-c zeigen die statistischen Diagramme der statischen Charakteristiken einschließlich V_ON, V_F und BV. Die Daten werden aus 72 SBDs mit L_AC von 7, 9 und 11 μm extrahiert, die in 3 separaten Prozessläufen gefertigt wurden. Die Bauelemente zeigen stabile Vorwärts-Einschalcharakteristiken und V_ON ist unabhängig von L_AC, da V_ON hauptsächlich durch den Schottky-Kontakt bestimmt wird. Der Low-Damage ICP-Ätzprozess, die präzise kontrollierte Grabentiefe und die hochwertige Schottky-Grenzfläche tragen zur exzellenten Uniformität von V_ON und V_F bei. Zusätzlich wird mit der Zunahme von L_AC (von 7 auf 11 μm) ein monotoner Anstieg (~100 V/μm) in der BV in den vorgeschlagenen Strukturen beobachtet. Abbildung 7d zeigt die Histogramm-Statistik von V_ON für 72 Bauelemente, und der Mittelwert beträgt 0,68 V mit einer kleinen Standardabweichung von 0,02 V.

Die Temperaturabhängigkeit der Rückwärts- und Vorwärtscharakteristiken wird in Abbildung 8 bewertet. Wie in Abbildung 8a gezeigt, führt ein Anstieg der UmgebungsTemperatur von 300 auf 475 K zu einem Anstieg von R_ON,SP um den Faktor 1,94.

Die dynamischen Charakteristiken der DJ SBDs werden mit dem Agilent B1505A Power Device Analyzer gemessen. Die Anoden-Puls-Ruhe-Bias-Punkte werden auf -10 V, -20 V, -30 V, -40 V, -70 V und -100 V eingestellt, mit Anoden-Pulsbreite und Periode von 0,5 ms/500 ms. Abbildung 9b zeigt das dynamische R_ON,SP als Funktion der Spannung. Das dynamische R_ON,SP sogar bei 100 V Reservespannung beträgt nur das 1,18-fache desjenigen ohne reversen Stress, was mit Ref. [8] vergleichbar ist. Der begrenzte Anstieg des dynamischen R_ON,SP trägt zur Reduktion der Grenzflächenzustände bei. Die Degradation des dynamischen R_ON,SP erfordert weitere Arbeit.

Abbildung 10 präsentiert den Benchmark-Plot von BV versus R_ON,SP für GaN-Leistungsdioden auf Si/SiC/Saphir-Substraten. Das vorgeschlagene Bauelement mit L_AC von 11 μm demonstriert eine BV von 1109 V mit einem entsprechenden R_ON,SP von 1,17 mΩ·cm², was zu einem hohen Baliga's FOM von 1051 MW/cm² führt. Dieser Wert ist das beste Ergebnis unter den lateralen GaN-Leistungsdioden auf Si-Substrat.

Schlussfolgerung

Eine Double-Heterojunction GaN/AlGaN/GaN-on-Si SBD mit hohem Figure-of-Merit wird gefertigt. Der Low-Damage ICP-Ätzprozess resultiert in optimierten ohmschen und Schottky-Kontakten für das vorgeschlagene Bauelement. Daher werden eine niedrige V_ON von 0,68 V mit guter Uniformität und ein niedriger R_ON,SP von 1,17 mΩ·cm² im Bauelement mit L_AC von 11 μm erreicht. Ein hoher Baliga's FOM von 1051 MW/cm² wird aufgrund des Polarisationse Junction-Effekts erzielt. Die hohe Leistung zusammen mit der kostengünstigen GaN-on-Si-Technologie zeigt großes Potenzial für zukünftige Leistungsanwendungen.