Geドープ垂直GaNショットキーバリアダイオードにおける高速リバースリカバリ

概要

GeドープフリースタンディングGaN基板上に成長した垂直GaNショットキーバリアダイオード（SBD）は、優れた結晶品質と電気特性を示します。カソルミネセンスイメージングにより、均一な転位密度約1.3×10⁶ cm⁻²が明らかになりました。デバイスは低ターンオン電圧V_on 0.70〜0.78 V、I_on/I_off比 9.9×10⁷〜1.3×10¹⁰を示します。リバースリカバリ測定では、100〜500 µm径デバイスで15.8〜24.5 nsのリカバリタイムを達成し、リカバリタイムとリカバリチャージの両方が電極面積と正の相関を示します。

はじめに

ワイドバンドギャップ半導体、特にGaNは、次世代高周波・高電力・高性能エレクトロニクスの鍵となっています[1-6]。最近のハライド気相成長法（HVPE）の進歩により、低転位GaN基板（≦10⁶ cm⁻²）の商業的成長が可能になりました[7-10]。これらの基板上に構築される垂直デバイスアーキテクチャは、横型設計と比較してより大きな電流密度、減少したリークパス、向上した信頼性を提供します[11, 12]。

GaNベースSBDはパワースイッチング回路の重要コンポーネントです。単極性であるため少数キャリア蓄積がなく、高速スイッチングと低リバースリカバリ損失を実現します[13-17]。しかし、垂直GaN SBDにおけるリバースリカバリ挙動の体系的研究は依然として稀です。本研究では、Geドープ垂直SBDをフリースタンディングGaN上に作製し、そのリバースリカバリ性能を厳密に評価することでこのギャップを埋めます。

GeはGaNの魅力的なn型ドーパントで、Siと同等の浅い活性化エネルギー（約20 meV）を持ちながら、イオン半径が小さいため格子歪みを低減します[19, 20]。Geドーピングはより滑らかな表面と低欠陥密度をもたらすと報告されています[21, 22]。また熱安定性を向上させ、高温デバイスの要件を満たします。ここでは、Geドープ垂直GaN SBDにおけるリバースリカバリ特性の初めての体系的調査を報告します。

手法と実験

デバイス構造（図1a）は、390 µm厚のフリースタンディングn⁺-GaN基板上に9 µmのn⁻-GaNドリフト層を積層したものです。基板はHVPEで成長し、1×10¹⁸ cm⁻³のGeを含み、転位密度1×10⁶ cm⁻²を示します[7]。エピタキシャル層は金属有機化学気相成長法（MOCVD）で約2 µm/hで堆積されました。

デバイス作製では、背面にTi/Al/Ni/Auオーミックコンタクト、表面にNi/Auショットキー電極を形成し、直径100、200、300、400、500 µmの5サイズを用意（図1b）。詳細プロセスは先行報告[23, 24]を参照。

CLイメージングはQuanta 400 FEG SEMで10 kVにて実施し、転位分布をマッピング。容量-電圧（C-V）と電流-電圧（I-V）測定はKeithley 4200アナライザで実施。温度依存試験は300〜500 Kでカスタムセットアップを用いて行いました。

結果と考察

図1cはエピタキシャル層のCLマップです。暗点は非発光転位中心を示し、均一分布から平均密度約1.3×10⁶ cm⁻²が得られ、高品質結晶成長が確認されました。

C-VとG-V曲線を1 MHzで記録（図2a-b）。1/C²-Vプロットからドナー濃度N_d ≈ 6.2×10¹⁵ cm⁻³を取得。位相角θ = tan⁻¹(2πfC/G)は約90°を維持し、ショットキーバリアを通じたリークが最小限であることを示します（図2bインセット）。

J-V特性（図2c）では、全径でI_on/I_off比 9.9×10⁷〜1.3×10¹⁰、V_on 0.70〜0.78 Vを達成し、優れた電子特性を示します。

リバースリカバリ挙動は図3aのテスト回路で測定。矩形波電圧（+20 V → -20 V）でデバイスを駆動し、Tektronix MDO 4104-3オシロスコープの高速プローブで過渡電流を取得。リバースリカバリ波形（図3b）で貯蔵時間t_a、リバース電流遅延t_b、リカバリタイムT_rr（ピークリバース電流の10%までの時間）を定義。リバースリカバリチャージQ_rrは、T_rrまでのリバース電流を積分して求めました。

図4に全電極径のリバースリカバリ電流を示します。T_rr値は、100、200、300、400、500 µmデバイスでそれぞれ15.8、16.2、18.1、21.22、24.5 ns。対応するQ_rr値は0.0127、0.0536、0.150、0.280、0.405 nC。全デバイスが25 ns未満のリカバリタイムを達成し、最小デバイスが最速リカバリを示します。T_rrとQ_rrの両方が電極面積とともに増加します。

電圧依存性を調べるため±10 Vでも測定を繰り返しました。T_rrは本質的に不変ですが、Q_rrは図6に示すように径の二乗（電極面積）に比例してスケールします。

観測された挙動の支配的メカニズムは、寄生インダクタンスではなくトラップ媒介貯蔵です。均一なトラップ分布によりQ_rrがコンタクト面積に比例し、結果としてRC時定数がデバイス径とともに増大することでT_rrの線形増加を説明できます。電極サイズ縮小やドリフト層薄膜化によりリカバリ性能がさらに向上することは、先行研究[29]でも裏付けられています。

温度依存性を500 µmデバイスで評価（図7）。リバースリカバリタイムとチャージは300〜500 Kで変化せず、GaNではトラップ濃度が温度非依存であることを示します。これはSiベースSBDで300〜425 K間にT_rrが190%以上増大すること[17]と対照的です。GaNの優れた熱安定性が高温パワースイッチングへの適合性を裏付けます。

結論

HVPE成長Geドープフリースタンディング基板上に垂直GaNショットキーバリアダイオードを作製しました。カソルミネセンスと電気測定により高結晶品質と優れた電子特性を確認。リバースリカバリ試験で、100〜500 µm径デバイスにおいて15.8〜24.5 nsのリカバリタイムを達成し、T_rrとQ_rrの両方が電極面積と正の相関を示すことを明らかにしました。これらの知見は、高速・高温パワーアプリケーション向けGaNベースSBDの最適化に向けたベンチマークを提供します。