Récupération inverse rapide dans les diodes Schottky verticales GaN dopées au Ge

Résumé

Les diodes Schottky verticales GaN cultivées sur des substrats GaN autonomes dopés au Ge présentent une qualité cristalline et une performance électrique supérieures. L'imagerie cathodoluminescence révèle une densité de dislocation uniforme d'environ 1,3×10⁶ cm⁻². Les dispositifs présentent une faible tension de mise en conduction V_on de 0,70–0,78 V et un ratio I_on/I_off variant de 9,9×10⁷ à 1,3×10¹⁰. Les mesures de récupération inverse donnent des temps de 15,8–24,5 ns pour des diamètres de 100–500 µm, avec à la fois le temps de récupération et la charge positivement corrélés avec la surface de l'électrode.

Introduction

Les semi-conducteurs à large bande interdite, particulièrement le GaN, sont devenus cruciaux pour l'électronique de prochaine génération à haute fréquence, haute puissance et haute performance [1]–[6]. Les avancées récentes en épitaxie en phase vapeur d'hydrures (HVPE) permettent maintenant la croissance commerciale de substrats GaN à faible dislocation (≤10⁶ cm⁻²) [7]–[10]. Les architectures de dispositifs verticaux construites sur ces substrats offrent des densités de courant plus grandes, des chemins de fuite réduits et une fiabilité améliorée par rapport aux designs latéraux [11], [12].

Les diodes Schottky à base de GaN sont des composants critiques dans les circuits de commutation de puissance. Leur nature unipolaire élimine le stockage de porteurs minoritaires, produisant des vitesses de commutation élevées et de faibles pertes de récupération inverse [13]–[17]. Cependant, les études systématiques du comportement de récupération inverse dans les diodes Schottky verticales GaN restent rares. Ce travail comble cette lacune en fabriquant des SBDs verticaux dopés au Ge sur GaN autonome et en évaluant rigoureusement leur performance de récupération inverse.

Le Ge est un dopant de type n attractif pour le GaN, offrant une activation peu profonde (≈20 meV) comparable au Si tout en induisant moins de distorsion de réseau due à son rayon ionique [19]–[20]. Le dopage au Ge donne des surfaces plus lisses et des densités de défauts réduites [21], [22], et améliore la stabilité thermique, une exigence clé pour les dispositifs à haute température. Ici, nous présentons la première investigation systématique des caractéristiques de récupération inverse dans les SBDs verticaux GaN dopés au Ge.

Méthodes et Expériences

L'architecture du dispositif est illustrée dans la Fig. 1a : un substrat n⁺-GaN autonome de 390 µm d'épaisseur surmonté d'une couche de dérive n⁻-GaN de 9 µm. Le substrat, cultivé par HVPE, incorpore 1×10¹⁸ cm⁻³ Ge et présente une densité de dislocation de 1×10⁶ cm⁻² [7]. La couche épitaxiale a été déposée par dépôt chimique en phase vapeur organométallique à ≈2 µm h⁻¹.

La fabrication du dispositif impliquait des contacts ohmiques Ti/Al/Ni/Au sur la surface arrière et des électrodes Schottky Ni/Au sur la face avant, avec des diamètres de 100, 200, 300, 400 et 500 µm (Fig. 1b). Les détails complets du processus sont disponibles dans nos rapports antérieurs [23], [24].

a Coupe schématique de la SBD verticale. b Image de microscopie optique des cinq diamètres d'électrode. c Image CL panchromatique de la couche épitaxiale.

L'imagerie CL a été réalisée avec un SEM Quanta 400 FEG à 10 kV pour cartographier la distribution des dislocations. Les mesures capacitance-tension (C-V) et courant-tension (I-V) ont utilisé un analyseur Keithley 4200. Les tests dépendants de la température couvraient 300–500 K avec une configuration personnalisée.

Résultats et Discussion

La Figure 1c montre la carte CL de la couche épitaxiale. Les taches sombres indiquent des centres de dislocation non radiatifs ; leur distribution uniforme donne une densité moyenne d'environ 1,3×10⁶ cm⁻², confirmant une croissance cristalline de haute qualité.

Les courbes C-V et G-V ont été enregistrées à 1 MHz (Fig. 2a-b). Des graphiques 1/C²-V, la concentration de donneurs N_d est d'environ 6,2×10¹⁵ cm⁻³. L'angle de phase θ, calculé via tan⁻¹(2πfC/G), reste ≈90°, indiquant une fuite minimale à travers la barrière Schottky (Fig. 2b inset).

Les caractéristiques J-V (Fig. 2c) révèlent des ratios I_on/I_off variant de 9,9×10⁷ à 1,3×10¹⁰ et des valeurs V_on entre 0,70 et 0,78 V pour tous les diamètres, démontrant une excellente performance électronique.

a Courbes C-V à température ambiante pour chaque taille d'électrode. b Courbes G-V avec θ versus V inset pour le dispositif 300 µm. c Courbes J-V pour tous les diamètres.

Le comportement de récupération inverse a été mesuré en utilisant le circuit de test de la Fig. 3a. Une tension carrée (+20 V à –20 V) pilote le dispositif ; le courant transitoire est capturé par une sonde haute vitesse sur un oscilloscope Tektronix MDO 4104-3. La forme d'onde de récupération inverse (Fig. 3b) définit le temps de stockage t_a, le délai de courant inverse t_b, et le temps de récupération T_rr (temps à 10 % du courant inverse de pointe). La charge de récupération inverse Q_rr est obtenue en intégrant le courant inverse jusqu'à T_rr.

a Circuit de test pour la mesure de récupération inverse. b Schéma de la forme d'onde de récupération inverse.

La Figure 4 affiche les courants de récupération inverse pour tous les diamètres d'électrode. Les valeurs T_rr sont 15,8, 16,2, 18,1, 21,22 et 24,5 ns pour les dispositifs de 100, 200, 300, 400 et 500 µm, respectivement. Les valeurs Q_rr correspondantes sont 0,0127, 0,0536, 0,150, 0,280 et 0,405 nC. Tous les dispositifs atteignent des temps de récupération sous 25 ns, et le plus petit dispositif présente la récupération la plus rapide. T_rr et Q_rr augmentent tous deux avec la surface de l'électrode.

Courant de récupération inverse pour chaque diamètre d'électrode.

Pour sonder la dépendance en tension, nous avons répété la mesure avec ±10 V. T_rr reste essentiellement inchangé, tandis que Q_rr continue de s'échelonner avec le carré du diamètre (c'est-à-dire la surface de l'électrode) comme montré dans la Fig. 6.

Temps de récupération inverse T_rr versus diamètre d'électrode d.

Charge de récupération inverse Q_rr versus diamètre d'électrode d.

Le mécanisme dominant derrière le comportement observé est le stockage médié par les pièges plutôt que l'inductance parasite. Une distribution uniforme des pièges conduit à une Q_rr proportionnelle à la surface de contact. Par conséquent, la constante de temps RC croît avec le diamètre du dispositif, ce qui explique l'augmentation linéaire de T_rr. La réduction de la taille de l'électrode ou de l'épaisseur de la couche de dérive devrait améliorer davantage la performance de récupération, comme corroboré par nos travaux antérieurs [29].

La dépendance en température a été évaluée pour le dispositif de 500 µm (Fig. 7). Le temps et la charge de récupération inverse restent inchangés entre 300 et 500 K, indiquant que les concentrations de pièges sont insensibles à la température dans le GaN, contrairement aux SBDs à base de Si, où T_rr peut augmenter de >190 % entre 300 et 425 K [17]. La stabilité thermique supérieure du GaN sous-tend sa convenance pour la commutation de puissance à haute température.

Caractéristiques de récupération inverse pour le dispositif 500 µm à 300, 400 et 500 K.

Conclusions

Nous avons fabriqué des diodes Schottky verticales GaN sur des substrats autonomes dopés au Ge cultivés par HVPE. La cathodoluminescence et les mesures électriques confirment une haute qualité cristalline et une excellente performance électronique. Les tests de récupération inverse révèlent des temps de 15,8 à 24,5 ns pour des dispositifs allant de 100 à 500 µm de diamètre, avec T_rr et Q_rr s'échelonnant positivement avec la surface de l'électrode. Ces résultats fournissent un référentiel pour l'optimisation des SBDs à base de GaN pour les applications de commutation de puissance à haute vitesse et haute température.

Abréviations

CL

Cathodoluminescence

C-V

Capacitance-tension

DUT

Dispositif sous test

FS

Autonome (Free-standing)

GaN

Nitrure de gallium

HVPE

Épitaxie en phase vapeur d'hydrures

I-V

Courant-tension

SBDs

Diodes à barrière Schottky

SEM

Microscope électronique à balayage