Diode de régulation de courant à blocage inverse AlGaN/GaN haute précision avec cathode de trench hybride

Résumé

Une nouvelle diode de régulation de courant à blocage inverse (RB-CRD) AlGaN/GaN latérale comportant une anode Schottky de trench et une cathode de trench hybride a été réalisée expérimentalement sur un substrat silicium. La diode à barrière Schottky (SBD) intégrée délivre une tension d'enclenchement de 0,7 V et une tension de claquage inverse de 260 V. La cathode de trench hybride fonctionne comme une diode de régulation de courant (CRD) en série avec l'anode SBD, produisant une tension de genou de 1,3 V et un fonctionnement direct au-dessus de 200 V. Le RB-CRD maintient un courant de sortie stable sur 25-300 °C, avec un faible coefficient de température négatif de moins de -0,152 %/°C.

Contexte

Les semi-conducteurs à large bande interdite redéfinissent l'électronique de haute puissance, haute fréquence, et haute température. Le GaN se distingue par son large bande interdite, sa haute mobilité électronique, et son champ électrique critique [1-5]. La polarisation spontanée et piézoélectrique de l'hétérointerface AlGaN/GaN crée un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) à haute densité, permettant des dispositifs à faible résistance de conduction avec de hautes tensions de claquage. La plateforme GaN-sur-silicium (GaN-sur-Si) combine ces avantages avec la maturité et la rentabilité des wafers silicium et des procédés CMOS [6-8], et une large gamme de dispositifs de puissance ont déjà été démontrés sur ce substrat [9-16]. L'ajout de nouveaux dispositifs fonctionnels tels que le RB-CRD peut élargir l'espace d'application et accélérer la commercialisation de la technologie AlGaN/GaN-sur-Si.

Le RB-CRD, illustré à la Fig. 1a, fusionne une anode Schottky de trench avec une cathode de trench hybride. Le dispositif se comporte comme un SBD en série avec un CRD. Une utilisation prometteuse est la charge de batterie (Fig. 1b) : le CRD fournit un courant constant à la batterie, tandis que le SBD polarisé en inverse empêche la décharge inverse lorsque la tension d'entrée tombe en dessous de la tension de la batterie [17-19].

Méthodes

La pile épitaxiale AlGaN/GaN a été cultivée sur Si 6 pouces (111) par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). Composition des couches : 2 nm cap GaN, 23 nm barrière AlGaN, 1 nm intercouche AlN, 300 nm canal GaN, et 3,5 μm tampon. Les mesures Hall montrent une densité 2DEG de 9,5×10¹² cm⁻² et une mobilité de 1500 cm²/V·s. La séquence de fabrication (Fig. 2) commence par un trench peu profond gravé par un procédé ICP Cl₂/BCl₃ à basse puissance (7 nm/min à 20 W RF, 60 W ICP, 5 sccm Cl₂, 10 sccm BCl₃). L'isolation mesa et le trench d'anode suivent. Les contacts ohmiques Ti/Al/Ni/Au (20/150/55/60 nm) sont déposés par évaporation faisceau d'électrons et recuits à 880 °C pendant 35 s sous N₂, donnant une résistance ohmiques de 1,1 Ω·mm et une résistance de feuille de 400 Ω/□. Finalement, une pile Schottky Ni/Au (50/300 nm) est déposée. L'espacement anode-cathode (L_AC) est 4 μm ; la longueur de contact ohmiques (L_O) est 0,5 μm ; la longueur de contact Schottky (L_S) est 1 μm, avec un débordement (L_E) de 0,5 μm.

Résultats et Discussion

L'opération du RB-CRD peut être visualisée en trois régimes de polarisation (Fig. 4). À polarisation nulle, le dispositif se comporte comme un HEMT mode déplétion drain-Schottky. Avec une polarisation d'anode négative, l'anode SBD est polarisée en inverse et le dispositif bloque le courant, agissant comme un SBD polarisé en inverse. Lorsque la tension d'anode dépasse l'enclenchement du SBD (≈1 mA/mm), les électrons coulent du contact ohmiques cathodique vers le contact Schottky d'anode ; simultanément, la jonction Schottky cathodique est polarisée en inverse, déplétant le 2DEG sous la région Schottky et dirigeant le courant vers la saturation. Ce flux de courant auto-régulé produit un courant de sortie stable.

Les caractéristiques I-V directes dépendantes de la température (Fig. 5a) montrent une tension de genou (V_k) de 1,3 V à 80 % du courant de régulation, surpassant les CRDs précédemment rapportés (≈0,6 V) [20, 21] en raison de la chute additionnelle de 0,7 V à travers l'anode SBD. À mesure que la température monte de 25 °C à 300 °C, la tension d'enclenchement du SBD se décale vers le bas, cohérent avec la théorie de l'émission thermoionique. Le dispositif soutient un courant stable jusqu'à 200 V (Fig. 5b), surpassant les CRDs commerciaux à base de Si [22-24]. À 25 °C, le rapport de courant I_{200 V}/I_{25 V} est 0,998, confirmant une stabilité exceptionnelle. La stabilité thermique est soulignée par un coefficient de température inférieur à -0,152 %/°C, dérivé de la relation I-T α = (I₁-I₀)/[I₀(T₁-T₀)] × 100 %.

La tension de claquage inverse culmine à 260 V à 25 °C, correspondant à un champ électrique critique moyen de 0,65 MV/cm. Cependant, le courant de fuite inverse augmente de deux ordres de grandeur lorsque la température est augmentée à 300 °C, comme montré à la Fig. 6.

Conclusions

Nous avons introduit un RB-CRD AlGaN/GaN-sur-Si premier du genre qui combine une anode Schottky de trench avec une cathode de trench hybride. Le dispositif atteint une tension de genou de 1,3 V, fonctionne de manière fiable au-dessus de 200 V, et supporte 260 V de claquage inverse. Son courant de sortie montre une précision remarquable avec un coefficient de température négatif en dessous de -0,152 %/°C. Ces attributs positionnent le RB-CRD comme un candidat fort pour l'électronique de puissance GaN de prochaine génération, en particulier dans la charge de batterie et d'autres applications à courant constant.

Abréviations

2DEG :

Gaz d'électrons bidimensionnel

AFM :

Microscope à force atomique

ICP :

Plasma à couplage inductif

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique

RB-CRD :

Diode de régulation de courant à blocage inverse

SBD :

Diode à barrière Schottky

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