ハイブリッドトレンチカソード搭載高精度AlGaN/GaN逆阻止電流制御ダイオード

概要

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規AlGaN/GaN横型逆阻止電流制御ダイオード（RB-CRD）がシリコン基板上で実験的に実現されました。統合ショットキーバリアダイオード（SBD）はターンオン電圧0.7 V、逆方向ブレークダウン電圧260 Vを示します。ハイブリッドトレンチカソードはアノードSBDと直列に電流制御ダイオード（CRD）として機能し、ニーバル電圧1.3 V、200 V以上で順方向動作を達成。RB-CRDは25〜300 °Cで安定出力電流維持、負温度係数は−0.152 %/°C未満と小さいです。

背景

ワイドバンドギャップ半導体が高電力、高周波、高温エレクトロニクスを再構築しています。GaNは大きなバンドギャップ、高電子移動度、臨界電界で際立っています[1-5]。AlGaN/GaNヘテロ界面の自発・圧電分極が高密度二次元電子ガス（2DEG）を生成し、低オン抵抗・高耐圧デバイスを可能にします。GaN-on-シリコン（GaN-on-Si）プラットフォームはこれら利点とシリコンウェーハ・CMOSプロセスの成熟・コスト効率を兼ね備え[6-8]、幅広いパワーデバイスが既に実証済み[9-16]。RB-CRDのような新機能デバイス追加で応用空間拡大、AlGaN/GaN-on-Si技術商用化加速が期待されます。

図1aに示す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融合。デバイスはSBDとCRDの直列接続として振る舞います。有望用途の一つはバッテリー充電（図1b）：CRDがバッテリーに定電流供給、逆バイアスSBDが入力電圧低下時の逆放電防止[17-19]。

a RB-CRD概略断面図。b RB-CRD使用バッテリー充電回路図

方法

エピタキシャルAlGaN/GaN積層を6インチ（111）Si上に金属有機化学気相成長（MOCVD）で成長。層構成：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、3.5 μmバッファ。ホール測定で2DEG密度9.5×10¹² cm⁻²、移動度1500 cm²/V·s。作製シーケンス（図2）は、低電力Cl₂/BCl₃ ICPプロセス（20 W RF、60 W ICP、5 sccm Cl₂、10 sccm BCl₃、7 nm/分）で浅トレンチエッチングから開始。メサ分離とアノードトレンチング続く。Ti/Al/Ni/Au（20/150/55/60 nm）オーミックコンタクトを電子ビーム蒸着、N₂中880 °C、35秒アニール、オーミック抵抗1.1 Ω·mm、シート抵抗400 Ω/□達成。最後にNi/Au（50/300 nm）ショットキースタック堆積。アノード-カソード間隔（L_AC）4 μm、オーミックコンタクト長（L_O）0.5 μm、ショットキーコンタクト長（L_S）1 μm、オーバーハング（L_E）0.5 μm。

RB-CRD製造プロセスフロー

a カソードトレンチAFM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

AFMイメージング（図3a）で、0.3 nm粗さの非常に平滑なトレンチ底面を確認、信頼性のある金属-半導体コンタクトに理想的。17 nmトレンチリセスで8 nm AlGaNバリア残存、ゼロバイアスで2DEG活性維持（図3b）。

RB-CRD動作は3バイアス領域で視覚化可能（図4）。ゼロバイアスではショットキードレインデプレッションモードHEMT様振る舞い。負アノードバイアスでアノードSBD逆バイアス、デバイスが電流遮断、逆バイアスSBDとして動作。アノード電圧がSBDターンオン（≈1 mA/mm）超えると、電子がカソードオーミックコンタクトからアノードショットキーコンタクトへ流れる；同時にカソードショットキー接合が逆バイアス、ショットキー領域下2DEG枯渇、電流を飽和方向へ駆動。この自己制御電流フローが安定出力電流生成。

RB-CRD動作メカニズム概略：a ゼロバイアス、b 逆バイアス、c 順バイアス条件

温度依存順方向I-V特性（図5a）で、規制電流80%でのニーバル電圧（V_k）1.3 V、先行CRD（≈0.6 V）[20,21]超え、追加的アノードSBD 0.7 V降下による。温度25→300 °C上昇でSBDターンオン電圧低下、熱電子放出理論と整合。デバイスは200 Vまで安定電流維持（図5b）、市販SiベースCRD[22-24]超え。25 °Cで電流比I_{200 V}/I_{25 V}=0.998、例外的安定性確認。熱安定性はI-T関係α=(I₁−I₀)/(I₀(T₁−T₀))×100%から、負温度係数−0.152 %/°C未満でさらに裏付け。

RB-CRD温度依存順バイアスI-V特性。アノード電圧範囲：a 0-2 V、b 0-200 V

逆方向ブレークダウン電圧は25 °Cで260 Vピーク、平均臨界電界0.65 MV/cm対応。しかし温度300 °C上昇で逆漏れ電流が2桁増大（図6）。

RB-CRD温度依存逆バイアスI-V特性

結論

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組み合わせた初のAlGaN/GaN-on-Si RB-CRDを導入。ニーバル電圧1.3 V、200 V以上で信頼動作、260 V逆ブレークダウン耐性。出力電流は負温度係数−0.152 %/°C未満で驚異的精度維持。これら属性によりRB-CRDは次世代GaNパワーエレクトロニクス、特にバッテリー充電等定電流応用の有力候補となります。

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：

金属有機化学気相成長

RB-CRD：

逆阻止電流制御ダイオード

SBD：

ショットキーバリアダイオード