Amélioration des diodes Schottky β-Ga₂O₃ : terminaison de bord par implantation argon booste tension de claquage et figure de mérite

Résumé

Nous démontrons que les diodes Schottky à barrière Au/Ni/β-Ga₂O₃ à terminaison de bord, fabriquées avec une étape d'implantation argon focalisée, atteignent une hausse remarquable de la tension de claquage inverse et de la figure de mérite de Baliga (FOM). En variant la dose d'implantation de 5×10¹⁴ cm⁻² à 1×10¹⁶ cm⁻² à 50 keV, la tension de claquage augmente de 209 V à 252 V et 451 V (avec une valeur maximale mesurée de 550 V). Correspondamment, la FOM s'améliore de 25,7 à 30,2 et 61,6 MW cm⁻², représentant des améliorations de 17,5 % et 140 %, respectivement. Des simulations de dispositif 2-D confirment que la couche amorphe à haute résistivité produite par les ions argon lisse le pic de champ électrique du coin de l'anode vers une région sous l'implantation, réduisant l'amassement de champ. Des mesures en polarisation directe dépendantes de la température illustrent davantage une performance stable sur une large plage thermique.

Contexte

Les semi-conducteurs à bande interdite ultra-large tels que β-Ga₂O₃, AlN et diamant font progresser rapidement le paysage de l'électronique de puissance haute tension. Le β-Ga₂O₃ offre une bande interdite exceptionnelle de 4,8–4,9 eV et un champ de claquage théorique de ~8 MV cm⁻¹, surpassant le 4H-SiC et le GaN par des facteurs de trois et quatre, respectivement. Sa FOM de Baliga atteint 3400, un ordre de grandeur plus élevé que le SiC et quatre fois plus élevé que le GaN, le positionnant comme candidat premier pour des dispositifs de commutation haute tension à faibles pertes.

De grands cristaux uniques β-Ga₂O₃ à coût efficace peuvent être cultivés par zone flottante (FZ) ou croissance par film alimenté par bord (EFG). Le dopage avec Sn, Si ou Ge permet d'ajuster les densités électroniques de 10¹⁶ à 10¹⁹ cm⁻³, permettant la conception de dispositifs avec conductivité sur mesure. Les diodes Schottky (SBDs) fabriquées à partir de β-Ga₂O₃ exploitent la commutation rapide et la chute de tension directe faible du matériau, améliorant ainsi l'efficacité de conversion de puissance.

Malgré des tensions de claquage records de 1,016 kV, 2,3 kV et 1,6 kV dans des SBDs β-Ga₂O₃ non terminées, ces valeurs restent en deçà des 34 %, 8 % et 10 % de la limite idéale théorique. La terminaison de bord est donc essentielle pour soulager l'amassement de champ électrique et libérer le plein potentiel du matériau. Les approches conventionnelles telles que les plaques de champ, anneaux flottants, MOS trench et extension de jonction de terminaison (JTE) sont inefficaces dans le β-Ga₂O₃ en raison de son manque intrinsèque de dopage de type p. À la place, l'implantation argon a émergé comme une technique simple, sans lithographie, pour former une couche amorphe à haute résistivité au bord de l'anode, lissant efficacement la distribution de champ et ayant été appliquée avec succès dans les redresseurs SiC et GaN.

Dans ce travail, nous fabriquons des SBDs β-Ga₂O₃ verticales à terminaison de bord par implantation argon à la périphérie du contact Schottky, et évaluons systématiquement leurs caractéristiques électriques et distribution de champ.

Méthodes/Expérimental

La couche de dérive de 10 µm d'épaisseur était exfoliée mécaniquement d'un β-Ga₂O₃ massique Sn-dopé (100) de haute pureté cultivé par EFG. La diffraction X haute résolution (HRXRD) et la microscopie à force atomique (AFM) confirmaient une qualité cristalline exceptionnelle (FWHM = 37,4 arcsec, RMS = 0,203 nm). Les mesures à quatre pointes donnaient une résistance de feuille de 563 Ω □⁻¹, correspondant à une mobilité électronique de 85–95 cm² V⁻¹ s⁻¹ à une concentration de porteurs de 1,3×10¹⁷ cm⁻³.

L'implantation argon face arrière (50 keV, 2,5×10¹⁴ cm⁻²) suivie d'un recuit à 950 °C, 60 min sous N₂ produisait un contact ohmique de type n uniforme. Après dépôt d'une pile Ti/Au (20 nm/100 nm) et recuit thermique rapide (RTA) à 600 °C, 60 s, la surface avant était structurée avec un masque photorésist 2 µm. Les ions argon (50 keV) étaient alors implantés au bord Schottky avec des doses de 5×10¹⁴ cm⁻² (échantillon B) et 1×10¹⁶ cm⁻² (échantillon C). Un RTA à 400 °C, 60 s sous N₂ atténuait les dommages d'implantation et supprimait la fuite inverse. Finalement, des anodes Schottky Ni/Au (30 nm/200 nm) de 100 µm de diamètre étaient définies par photolithographie standard, évaporation et lift-off. Un dispositif de référence (échantillon A) était traité identiquement mais sans implantation de bord.

La TEM en coupe transversale de l'échantillon C révélait une couche β-Ga₂O₃ amorphe ~50 nm d'épaisseur sous la région d'implantation (Fig. 2a). La figure 2b montre une photographie du dispositif fini. Les configurations de mesure pour I-V direct (0–3 V, pas 10 mV) et inverse (0 à –500 V, pas 1 V) sont illustrées en Fig. 2c,d.

a Courbe de rocking XRD, b image AFM de la couche de dérive β-Ga₂O₃ 10 µm, c résistance de feuille mesurée d'un échantillon 10 mm×10 mm.

a TEM de l'échantillon C, b photographie du dispositif, c configuration I-V direct, d configuration I-V inverse.

Résultats et Discussion

Les courbes 1/C²-V pour les trois échantillons donnaient une concentration de donneurs effective de (1,3±0,04)×10¹⁷ cm⁻³ et un potentiel construit de 1,30 eV. En utilisant l'analyse Schottky standard, la hauteur de barrière φ_b,CV était déterminée à 1,32 eV. Les équations d'extraction sont présentées ci-dessous :

$$\frac{1}{C^2}=\frac{2}{q\varepsilon A^2(N_d-N_a)}(V_{bi}-V)\quad(1)$$ $$e\varphi_b=eV_{bi}+ (E_c-E_f)-e\Delta\varphi\quad(2)$$ $$E_c-E_f=kT\ln\left(\frac{N_c}{N_d-N_a}\right)\quad(3)$$ $$e\Delta\varphi=\left\{\frac{e}{4\pi\varepsilon}\left[\frac{2eV_{bi}(N_d-N_a)}{\varepsilon}\right]^{1/2}\right\}^{1/2}\quad(4)$$

Graphiques 1/C²-V pour échantillons A, B et C.

Les caractéristiques J-V directes (Fig. 4a) montrent que l'implantation de bord ne dégrade pas la conduction directe. Les tensions de seuil restent dans 0,91–0,95 V, et le rapport I_on/I_off dépasse 10⁹ à température ambiante. Les résistances spécifiques en conduction augmentent modestement de 1,7 à 3,3 mΩ cm², tandis que les densités de courant de crête à 2 V restent au-dessus de 600 A cm⁻², comparables ou meilleures que les valeurs de la littérature pour des couches de dérive similaires.

a Courbes J-V à température ambiante, b J-V dépendant de la température pour échantillon C (300–423 K), c graphique de Richardson pour échantillon C.

Les balayages de température révèlent un facteur d'idéalité n diminuant de 1,06 à 1,02 et une hauteur de barrière φ_b,JV quasi constante de 1,21 eV, indiquant une dominance d'émission thermionique avec un abaissement d'image-force minimal. Le graphique de Richardson donne φ_b = 1,22 eV et une constante de Richardson effective A* = 48,5 A cm⁻² K⁻², correspondant à la gamme théorique pour β-Ga₂O₃ (24–58 A cm⁻² K⁻²) basée sur une masse effective de 0,23–0,34 m₀.

Les mesures J-V inverses (Fig. 5a) confirment que l'implantation argon augmente significativement la tension de claquage : de 209 V (échantillon A) à 252 V (échantillon B) et 451 V (échantillon C). Les valeurs FOM de Baliga correspondantes passent de 25,7 à 61,6 MW cm⁻², une amélioration de 140 % à la dose la plus élevée. Les courants de fuite sont légèrement plus élevés dans les dispositifs implantés, probablement dus aux dommages d'implantation résiduels ; une optimisation supplémentaire des paramètres de recuit post-implantation sera explorée dans de futurs travaux.

a Courbes J-V inverses, b distribution de tension de claquage pour dispositifs non implantés, c distribution pour dispositifs implantés.

L'analyse statistique de 550 V tension de claquage maximale sur l'ensemble d'échantillons confirme que la couche de bord à haute résistivité atténue avec succès les pics de champ électrique. Les simulations 2-D (Fig. 6) incorporant un accepteur mid-gap de 50 nm de profondeur et un modèle d'ionisation incomplète démontrent un déplacement du pic de champ du coin de l'anode vers une région sous l'implantation, avec un champ maximal de 5,05 MV cm⁻¹ — cohérent avec les limites théoriques et supérieur aux homologues SiC et GaN.

Distribution de champ électrique simulée au claquage pour échantillons A–C ; régions surlignées montrent la relocalisation du pic de champ.

Conclusions

Nous avons fabriqué avec succès des diodes Schottky Au/Ni/β-Ga₂O₃ verticales avec terminaison de bord par implantation argon. Comparées à un dispositif de référence, les diodes implantées présentent une augmentation de 20–140 % de la tension de claquage et une résistance en conduction comparable ou légèrement plus élevée. La tension de claquage maximale mesurée atteint 550 V, avec un champ électrique de crête de 5,05 MV cm⁻¹ — bien au-delà des limites des diodes SiC et GaN. Ces résultats confirment qu'une simple étape d'implantation argon sans lithographie peut libérer le plein potentiel haute tension des dispositifs Schottky β-Ga₂O₃.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

EFG :

Croissance par film alimenté par bord

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

FZ :

Zone flottante

HRXRD :

Diffraction X haute résolution

JTE :

Extension de jonction de terminaison

MOSFET :

Transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur

RMS :

Racine carrée moyenne

SBD :

Diode Schottky à barrière

TE :

Émission thermionique