ハイブリッドトレンチカソードを備えた高精度AlGaN / GaN逆ブロッキングCRD（RB-CRD）

背景

ワイドバンドギャップ半導体は、次世代の高出力、高周波、高温デバイスで大きな注目を集めています。 GaNは、大きなバンドギャップ、高い電子移動度、高い臨界電場などの優れた特性により、最も有望なワイドバンドギャップ半導体の1つです[1,2,3,4,5]。さらに、自発分極と圧電分極の組み合わせにより、AlGaN / GaNヘテロ界面で高密度の二次元電子ガス（2DEG）を実現できます。このような優れた特性により、AlGaN / GaNベースのパワーデバイスは、高いブレークダウン電圧を維持しながら、低いオン抵抗で動作することができます。 GaN-onシリコン（GaN-on-Si）プラットフォーム[6,7,8]は、大口径シリコンウェーハの入手可能性と既存の成熟したCMOS製造プロセスとの互換性。現在までに、さまざまなパワーデバイス[9、10、11、12、13、14、15、16]がAlGaN / GaN-on-Siで実証されており、そのうちのいくつかは市販されています。同時に、新しい機能を備えたAlGaN / GaNデバイスの開発は、AlGaN / GaN-on-Siの応用可能性を拡大する可能性があり、AlGaN / GaN技術の広範な商業化を後押しするのに有益です。

図1aに示すように、この作業では、逆ブロッキング電流調整ダイオード（RB-CRD）と呼ばれる新しいタイプのデバイスがAlGaN / GaN-on-Siで実験的に実証されました。 RB-CRDは、トレンチショットキーアノードとハイブリッドトレンチカソードを備えています。トレンチショットキーバリアダイオード（SBD）がアノードに形成され、CRDがハイブリッドトレンチカソードで実現されます。 RB-CRDは、CRDと直列に接続されたSBDと見なすことができます。 RB-CRDの一般的な用途は、図1bに示すようにバッテリー充電です。前述のバッテリ充電回路では、CRDは定電流源として機能し、入力とバッテリ間の順方向電圧変動に関係なく、定電流を出力してバッテリを充電します[17、18、19]。入力電圧がバッテリー電圧を下回ると、回路内の逆バイアスされたSBDによってバッテリーの放電が防止されます。

a RB-CRDの概略断面図。 b RB-CRDを使用したバッテリー充電の回路図

メソッド

RB-CRDの製造に使用されるエピタキシャルAlGaN / GaNヘテロ構造は、有機金属化学蒸着（MOCVD）によって6インチ（111）シリコン基板上に成長しました。エピタキシャル層は、2 nm GaNキャップ、23 nm AlGaNバリア、1 nm AlN中間層、300 nm GaNチャネル、および3.5μmバッファで構成されています。 2DEGのホール効果測定密度と移動度は9.5×10 ¹² でした。 cm ⁻² および1500cm ² それぞれ/ V・s。デバイスの製造プロセスを図2に示します。最初に、浅いトレンチ（図3を参照）が低電力Cl ₂ によってRB-CRDのカソードにエッチングされました。 / BCl ₃ ベースの誘導結合プラズマ（ICP）エッチング技術。開発されたエッチングレシピを使用して、RFパワー20 W、ICPパワー60 W、Cl ₂ を使用して、7 nm / minのエッチング速度が観察されました。 5 sccmのフロー、およびBCl ₃ 10sccmのフロー。次に、同じICPエッチング技術を使用してデバイスを切断し、深さ300nmのメサ分離を形成しました。アノードトレンチは、このプロセスによって同時に達成されました。その後、Ti / Al / Ni / Au（20/150/55/60 nm nm）金属スタックが電子ビーム蒸着によって堆積され、続いて880°Cで35秒間N _{で急速熱アニーリングが行われました。 2} アンビエント。 1.1Ωmmのオーミック接触抵抗と400Ω/ squareのシート抵抗を伝送線路法で抽出しました。最後に、デバイス製造プロセスは、Ni / Au（50/300 nm）ショットキー金属スタック堆積で終わりました。アノードとカソードの間の距離（ L _AC ）は4μmです。オーミック接触の長さ（ L _O ）およびSchottky連絡先（ L _S ）カソードトレンチ内はそれぞれ0.5μmと1μmです。拡張オーバーハング（ L _E ）ショットキー接点のは0.5μmです。

RB-CRDの製造プロセスフロー

a カソードトレンチのAFM画像。 b カソードトレンチから取得した高さプロファイル

結果と考察

図3aは、製造されたカソードトレンチの3D原子間力顕微鏡（AFM）画像を示しています。カソードトレンチの底の表面粗さは0.3nmです。このような小さな表面粗さは、次の金属-半導体接触に有益です。図3bに示すように、深さ17 nmのカソードトレンチが凹んでいるため、8nmのAlGaNバリア層はカソードトレンチ領域に残ります。このような残りのAlGaNバリア層により、カソードトレンチ領域の2DEGチャネルが常にゼロバイアスで存在することが可能になります。

図4に、RB-CRDの動作メカニズムを示します。アノードにゼロバイアスが印加されている場合（ V _AC =0 V）（図4aを参照）、RB-CRDは、ゲート-ソース電極が接続されたショットキードレイン空乏モードHEMTに類似しています。アノードに負のバイアスが印加された場合（ V _AC <0 V）（図4bを参照）、電子はカソードトレンチ領域に蓄積し、2DEGチャネルは逆バイアスされたショットキー接合によりアノード領域で空乏化されます。アノードとカソードの間に続く所望の電流はなく、RB-CRDは逆バイアスされたSBDとして機能します。図4cに示すように、ターンオン電圧（ V ）を超える正のバイアスの場合 _T 、アノードの1 mA / mmでSBDがアノード（ V ）に適用されます _AC > V _T ）、電子は陰極のオーミック接触と陽極のショットキー接触の間を流れます。一方、カソードのショットキー接合は逆バイアスされ、ショットキー接点の下の2DEGチャネルは、順バイアスの増加に伴って徐々に減少します。したがって、出力電流は、最初に印加されたアノード電圧とともに増加し、その後徐々に飽和に達します。このような場合、安定した出力電流を得ることができます。

a でのRB-CRDの概略動作メカニズム ゼロバイアス、 b 逆バイアス、および c 順バイアス条件

温度依存の順方向 I-V ウェーハ上のRB-CRDの特性を図5に示します。図5aに示すように、RB-CRDの場合、ニー電圧（ V _K 、安定した調整電流の80％で）1.3 Vが得られます。これは、以前に報告されたCRDの値（たとえば、標準値0.6 V）よりも高くなっています[20、21]。これは、RB-CRDのアノードSBDでの追加の電圧降下（たとえば、標準値0.7 V）によるものです。温度が25°Cから300°Cに上昇すると（図5aを参照）、 V が負にシフトします。 _T が観察されます。これは、熱電子放出モデルによって説明できます（つまり、電子が高温でショットキー障壁を克服するために必要なエネルギーは少なくなります）。 RB-CRDは、最大200 Vの安定した調整電流を出力できます（図5bを参照）。これは、Siベースの商用CRDの報告されている最大動作電圧よりも高くなっています[22、23、24]。 25°Cでは、調整電流比（ I _{200 V} / 私 _{25 V} ）提案されたRB-CRDのは0.998であり、出力電流が非常に安定していることを示しています。 AlGaN / GaNプラットフォームに固有の高温動作能力のおかげで、RB-CRDは I の安定性の低下を無視できる程度に示します。 _A 300°Cの高温で最大200V。一方、気温が25°Cから300°Cに上昇すると、前方の I _A 図5bに示すように、高温での電子移動度の低下により、31.1から23.1 mA / mmに減少します。温度係数（α ）さまざまな温度範囲での調整電流は、次の式で計算できます

ここで私 ₀ は温度 T での出力電流です ₀ および私 ₁ は温度 T での出力電流です ₁ 。 − 0.152％/ ^o 未満の小さな温度係数 Cが観察され、製造されたRB-CRDが優れた熱安定性を備えていることを示しています。

温度依存の順方向バイアス I - V RB-CRDの特性。アノード電圧範囲： a 0–2 V、 b 0〜200 V

図6の挿入図に示すように、RB-CRDの逆方向降伏電圧は25°Cで260Vです。対応する平均臨界電界は0.65MV / cmと計算されます。温度依存の逆 I-V RB-CRDの特性を図6に示します。周囲温度が25°Cから300°Cに上昇すると、リーク電流が2桁増加します。

温度依存の逆バイアス I - V RB-CRDの特徴

結論

結論として、トレンチショットキーアノードとハイブリッドトレンチカソードを特徴とする新しいAlGaN / GaN-on-SiRB-CRDが初めて成功裏に実証されました。製造されたRB-CRDは V を示します _K 1.3 V、200 Vを超える順方向動作電圧、および260 Vの逆方向降伏電圧。優れた精度と、-0.152％/ ^o 未満の小さな負の温度係数 RB-CRDのCを取得しています。高精度の多機能RB-CRDは、新しいGaNパワーエレクトロニクスシステムに組み込む可能性が非常に高いです。

略語

2DEG：

二次元電子ガス

AFM：

原子間力顕微鏡

ICP：

誘導結合プラズマ

MOCVD：

有機金属化学蒸着

RB-CRD：

逆遮断電流調整ダイオード

SBD：

ショットキーバリアダイオード