Diode Schottky AlGaN/GaN à double hétérojonction sur Si : Une analyse théorique et expérimentale combinée

Résumé

Une diode Schottky AlGaN/GaN à barrière de Schottky (SBD) avec double hétérojonction est théoriquement et expérimentalement investiguée sur la structure GaN/AlGaN/GaN/Si-sub. Un gaz de trous bidimensionnel (2DHG) et un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) sont formés aux interfaces GaN-supérieur/AlGaN et AlGaN/GaN, respectivement. À l'état bloqué, le 2DEG et le 2DHG sont partiellement épuisés et puis disparaissent complètement. Il reste les charges de polarisation fixes positives et négatives, formant la jonction de polarisation. Par conséquent, un champ électrique plat dans la région de dérive et une haute tension de claquage (BV) sont obtenus. De plus, l'anode est encastrée pour réduire la tension de mise en conduction (V_ON). Le processus de gravure ICP à faible dommage résulte en des contacts Schottky améliorés, et un faible courant de fuite et un faible V_ON sont obtenus. La SBD fabriquée exhibe une BV de 1109 V avec une distance anode-cathode (L_AC) de 11 μm. Les SBD fabriquées atteignent un faible V_ON de 0,68 V avec une bonne uniformité, un rapport courant marche/arrêt élevé ∼ 10¹⁰ à température ambiante, une faible résistance spécifique en état passant (R_ON,SP) de 1,17 mΩ cm², et une haute figure de mérite de Baliga (FOM) de 1051 MW/cm².

Introduction

La diode latérale basée sur l'hétérostructure AlGaN/GaN est un dispositif attractif en raison de la haute mobilité électronique du gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG), de la haute vitesse de saturation électronique et du haut champ électrique de claquage [1-3]. Des efforts extensifs ont été faits pour atteindre une faible tension de mise en conduction (V_ON), un faible courant de fuite inverse et une haute tension de claquage (BV) pour les diodes GaN utilisées dans les convertisseurs et onduleurs pour les alimentations et les corrections de facteur de puissance [4-12]. Diverses approches ont été proposées pour résoudre la distribution non uniforme du champ électrique. L'une d'elles est la technologie de plaque de champ (FP) [5, 13]. Une SBD avec anode entièrement encastrée et double plaque de champ atteint une haute tension de claquage de 1,9 kV avec 25 μm L_AC [5]. Elle peut aussi réduire significativement la tension de mise en conduction tout en maintenant une haute tension de claquage. En plus, le concept conventionnel REduced SURface Field (RESURF) couramment employé dans la technologie du silicium a été démontré dans le HEMT GaN [14]. De plus, la jonction de polarisation (PJ) consistant en un gaz de trous bidimensionnel (2DHG) au-dessus du 2DEG est proposée pour améliorer la relation entre la résistance spécifique en état passant (R_ON,SP) et BV [15-18]. Les dispositifs basés sur GaN basés sur le concept PJ ont été démontrés sur substrats Saphir et SiC, tandis que le coût élevé et les petits diamètres des substrats GaN sur SiC vont à l'encontre de l'application commerciale de masse. Le GaN-sur-Si avec un grand diamètre est considéré comme un choix prometteur en raison du faible coût [19-22]. Par conséquent, la performance de la diode PJ sur substrats silicium est digne d'étude.

Dans ce travail, nous avons proposé et expérimentalement démontré une diode Schottky à barrière de Schottky GaN/AlGaN/GaN-sur-Si avec double hétérojonction (DJ). L'effet de jonction de polarisation est confirmé par simulations et expériences. Un champ électrique plat (champ E) entre les électrodes anode et cathode est atteint. Le processus ICP pour graver la tranchée Schottky est optimisé pour atteindre un faible courant de fuite inverse et un faible V_ON avec une excellente uniformité de gravure. Le processus de contact ohmiques est aussi optimisé pour atteindre une faible résistance de contact (pour 2DEG) basée sur la couche épitaxiale personnalisée (avec 45 nm GaN-supérieur). Par conséquent, une tension de claquage de 1109 V est atteinte pour les SBDs avec 11 μm L_AC et la figure de mérite de Baliga (FOM) est de 1051 MW/cm². La dépendance à la température et la performance dynamique de R_ON,SP sont aussi investiguées.

Méthode et Expérience

La couche épitaxiale a été cultivée par dépôt chimique en phase vapeur métal-organique sur du silicium de type p de 6 pouces, consistant en une couche tampon GaN de 3,5 μm, une couche de canal GaN de 150 nm, une intercouche AlN de 1 nm, une couche barrière Al₀,₂₅Ga₀,₇₅N de 45 nm, et une couche GaN-supérieur de 45 nm du bas vers le haut. La couche GaN-supérieur inclut une couche p-GaN de 35 nm et une couche GaN non dopée de 10 nm. Pour une épaisseur d'AlGaN donnée de 45 nm, la densité de 2DHG augmente avec l'augmentation de l'épaisseur de GaN-supérieur [22]. La couche GaN-supérieur épaisse est vitale pour la haute densité de 2DHG, tandis qu'elle va à l'encontre de la faible résistance de contact ohmiques (pour 2DEG). Les vues schématiques de la diode Schottky à barrière de Schottky à double hétérojonction (DJ SBD) proposée sont montrées dans la Fig. 1a. La fabrication de la SBD a commencé avec l'isolement de mesa par gravure ICP à base de Cl₂/BCl₃ jusqu'à une profondeur de 300 nm. Ensuite, la tranchée de contact ohmiques et la tranchée d'anode Schottky ont été formées avec le processus de gravure ICP à faible dommage. La profondeur de la tranchée de contact ohmiques et de la tranchée d'anode Schottky était de 50 nm et 90 nm, respectivement, ce qui a été confirmé en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Une solution d'hydroxyde de tétra méthyl ammonium (TMAH) à 85 °C pendant 15 min a été introduite pour éliminer les résidus post-gravure et pour modifier la paroi de la tranchée après la fin du processus de gravure [23]. Ensuite, le recuit à 400 °C pendant 10 min dans une ambiance N₂ a été effectué. Le contact cathodique ohmiques a été ensuite formé par évaporation par faisceau d'électrons Ti/Al/Ni/Au (20/140/55/45 nm), recuit à 870 °C pendant 35 s dans une ambiance N₂, avec une résistance de contact (R_C) de 0,49 Ω·mm. Finalement, le métal d'anode et les interconnexions ont été déposés par Ni/Au pour compléter le flux de fabrication. Les dispositifs présentaient divers L_AC de 7 à 11 μm. La Figure 1b montre l'image TEM en coupe transversale haute résolution de l'anode après gravure ICP et dépôt de métal, et la structure de couches a été observée clairement.

a Coupe transversale de la diode Schottky AlGaN/GaN à double hétérojonction proposée et processus de fabrication principal. L_AC est la longueur de l'anode à la cathode. L_FP et L_1 sont 1 μm et 2 μm, respectivement. b Image HR-TEM de l'anode après gravure ICP et dépôt de métal.

Le 2DEG est induit par les charges de polarisation positives le long de l'interface AlGaN/GaN. L'interface supérieure GaN/AlGaN a des charges de polarisation négatives et génère donc le 2DHG à l'interface supérieure [15]. L'espace entre la région de dérive et la cathode (L_1) est utilisé pour couper le chemin de courant de trous comme montré dans la Fig. 2. Nous avons seulement investigué l'influence de L_1 de 2 à 3 μm sur les caractéristiques de blocage direct et inverse en raison de la limite du design de layout original. Le V_ON et le R_ON,SP ne montrent aucun changement car L_1 n'affecte pas le contact Schottky et le chemin de courant électronique. En plus, la BV diminue légèrement avec l'augmentation de L_1 en raison de la région de dérive raccourcie. Le mécanisme d'opération des DJ SBDs sous polarisation directe est presque le même que les SBDs conventionnels, signifiant que le 2DHG affecte à peine le chemin de courant électronique de la cathode vers l'anode. Avec l'augmentation de la tension de polarisation inverse, le 2DEG et le 2DHG sont pleinement épuisés. Il reste les charges de polarisation fixes positives et négatives, ce qui forme la jonction de polarisation. Comme résultat, une distribution de champ E plate entre la cathode et l'anode est obtenue (Fig. 3).

Analyse du mécanisme d'opération des DJ SBDs a polarisation nulle et b polarisation inverse.

Distribution du champ électrique le long de l'hétérointerface de canal AlGaN/GaN par simulation TCAD. La fraction d'Al est définie comme 0,25. La densité d'accepteurs nets (niveau profond) dans la couche tampon est fixée à 1,5 × 10¹⁶ cm⁻³ et le niveau d'énergie est 0,45 eV en dessous du minimum de la bande de conduction. La densité d'accepteurs de l'interface AlGaN/GaN est fixée à 6 × 10¹² cm⁻³ et le niveau d'énergie est 0,23 eV en dessous du minimum de la bande de conduction.

Comme montré dans la Fig. 3, la caractéristique de claquage et le mécanisme de jonction de polarisation ont été confirmés par la simulation TCAD 2-D Sentaurus de Synopsys. Nous avions pris en compte plusieurs phénomènes physiques importants dans la simulation, incluant le rétrécissement de gap de bande, la polarisation, la mobilité électron/trou, l'ionisation par impact et la recombinaison SRH.

La mesure d'effet Hall a été adoptée pour déterminer les valeurs de densité et mobilité du 2DHG ou 2DEG [22]. Les mesures ont été effectuées par la méthode de Van der Pauw à température ambiante. Pour mesurer le 2DHG selon la Ref. [17], les échantillons de mesure Hall ont été fabriqués avec des contacts ohmiques Ni/Au. La densité et la mobilité du 2DHG étaient de 9 × 10¹² cm⁻² et 15 cm²/V·s, respectivement. Le 2DEG a été mesuré par les échantillons avec encastrement de GaN-supérieur et AlGaN partiel fabriqués avec des contacts ohmiques Ti/Al/Ni/Au (pour 2DEG). La densité et la mobilité du 2DEG étaient de 8,5 × 10¹² cm⁻² et 970 cm²/V·s, respectivement. Les mesures Hall ont montré que la mobilité des trous était encore bien plus faible que la mobilité du volume au-dessus de 100 cm²/V·s. La dégradation de la mobilité a été attribuée à la diffusion de Mg du p-GaN vers le GaN non dopé pendant la croissance MOCVD.

Résultats et Discussion

Les caractéristiques I-V directes mesurées des SBDs avec divers L_AC sont tracées dans la Fig. 4a et b. La tension de mise en conduction (V_ON) est de 0,68 V avec une petite variation de 0,02 V. Le facteur d'idéalité et la hauteur de barrière des SBDs sont calculés comme 1,44 ± 0,15 et 0,76 ± 0,04 eV, respectivement. La Fig. 4a montre qu'une densité de courant direct élevée de 183 mA/mm et 144 mA/mm (@ polarisation directe de 2,5 V) et une résistance en état passant de 0,642 et 1,17 mΩ cm² sont atteintes à L_AC = 7 et 11 μm, respectivement. En plus, un excellent rapport courant marche/arrêt ∼ 10¹⁰ est obtenu comme montré dans la Fig. 4b. La pente de sous-seuil (SS) est de 63,0 mV/dec, ce qui est proche de la SS idéale (59,6 mV/dec).

Caractéristiques I-V en polarisation directe mesurées des DJ SBDs en a échelle linéaire et b échelle semi-log avec différents L_AC.

La Figure 5a montre les caractéristiques I-V de blocage inverse mesurées des SBDs avec divers L_AC à 300 K. La tension de claquage des dispositifs avec différents L_AC est de 803 V, 940 V et 1109 V, respectivement, à un courant de fuite de 1 mA/mm. Les densités de 2DEG et 2DHG sont supposées les mêmes pendant la simulation. Cependant, les résultats expérimentaux montrent que les densités de 2DHG (9 × 10¹² cm⁻²) sont légèrement plus élevées que celles de 2DEG (8,5 × 10¹² cm⁻²). La différence entre les charges de polarisation fixes positives et négatives pendant l'état bloqué affecte l'équilibre de charge et dégrade ainsi la tension de claquage. L'influence de L_AC sur la BV et le R_ON,SP est montrée dans la Fig. 5b. Une relation quasi-linéaire entre BV et L_AC est obtenue, impliquant un champ E latéral relativement plat dans la région de dérive. En raison de l'effet de jonction de polarisation, le dispositif démontre une haute figure de mérite de Baliga (FOM = BV²/R_ON,SP) de 1051 MW/cm² (@ L_AC = 11 μm).

a Caractéristiques I-V de blocage inverse mesurées des DJ SBDs avec différents L_AC (b) R_ON,SP et BV en fonctions de L_AC.

Le processus de gravure est vital pour l'interface Schottky de haute qualité et le contact ohmiques. La Figure 6a montre la morphologie de surface de la tranchée encastrée après la gravure ICP (@ 5 °C) et la solution TMAH. Le taux de gravure est d'environ 4,9 nm/min, et la recette finale sélectionnée est avec un Cl₂ de 4 sccm, une puissance ICP de 50 W, et une puissance RF de 15 W. La rugosité quadratique moyenne (RMS) est de 0,244 nm avec une zone de balayage de 2 × 2 μm².

a Morphologie AFM de la tranchée après gravure ICP. b Influence de la profondeur de gravure sur la résistance de contact ohmiques par test TLM. c Résistance de contact en fonction de la température de recuit avec la profondeur de tranchée de 50 à 55 nm. Le temps de recuit était de 35 s.

Parce que la couche épitaxiale personnalisée inclut une couche GaN-supérieur de 45 nm et une couche AlGaN de 45 nm, le processus de contact ohmiques (pour 2DEG) est différent des SBDs conventionnels. Sans encastrer à la fois les couches GaN-supérieur et barrière AlGaN, une faible résistance de contact est difficile à atteindre par recuit en raison de la barrière de potentiel entre le métal ohmiques et le 2DEG. Cependant, si la barrière est sur-encastrée, le relâchement de contrainte conduit à une réduction de la concentration de 2DEG. Des processus supplémentaires sont adoptés pour réduire la résistance de contact ohmiques. Les surfaces des échantillons sont traitées par la solution HCl pour éliminer la couche d'oxyde native avant le dépôt. En plus, le traitement de surface par plasma est adopté (puissance ICP 50 W BCl₃ 10 sccm 3 min) pour introduire des états donneurs de surface [24]. La Figure 6b démontre la dépendance de la résistance de contact sur la profondeur de tranchée. La profondeur optimisée est obtenue de 50 à 55 nm. Le recuit thermique rapide à haute température (RTA) pour le contact Ti/Al/Ni/Au est investigué dans la Fig. 6c. La température de recuit est de 840 à 890 °C, et 870 °C résulte en la plus faible résistance de contact. Le recuit à haute température, c.-à-d. 870 °C, est propice à la formation de TiN à l'interface Ti/nitrure. Cependant, une température plus élevée (par ex. 890 °C) augmente l'interdiffusion de Au et Al, ce qui est désavantageux pour la formation de bons contacts ohmiques.

La Figure 7a-c exhibe les diagrammes statistiques des caractéristiques statiques incluant V_ON, V_F et BV. Les données sont extraites de 72 SBDs avec L_AC de 7, 9 et 11 μm fabriqués en 3 runs de processus séparés. Les dispositifs affichent des caractéristiques de mise en conduction directes stables et le V_ON est indépendant de L_AC, car V_ON est principalement déterminé par le contact Schottky. Le processus de gravure ICP à faible dommage, la profondeur de tranchée précisément contrôlée et l'interface Schottky de haute qualité contribuent à l'excellente uniformité du V_ON et V_F. En plus, avec l'augmentation de L_AC (de 7 à 11 μm), il y a une augmentation monotone (∼ 100 V/μm) de la BV observée dans les structures proposées. La Figure 7d montre les statistiques d'histogramme du V_ON pour 72 dispositifs, et la valeur moyenne est de 0,68 V avec un petit écart-type de 0,02 V.

Diagrammes statistiques de a tension de mise en conduction, b tension directe, et c tension de claquage extraits de 72 SBDs avec L_AC de 7, 9 et 11 μm fabriqués en 3 runs de processus séparés. d Distribution de V_ON pour 72 dispositifs.

La dépendance à la température des caractéristiques inverses et directes est évaluée dans la Fig. 8. Comme montré dans la Fig. 8a, une augmentation de la température ambiante de 300 à 475 K résulte en une augmentation du R_ON,SP par un facteur de 1,94.

a Courant de fuite inverse et b caractéristiques directes pour les DJ SBDs à différentes températures.

Les caractéristiques dynamiques des DJ SBDs sont mesurées par l'analyseur de dispositifs de puissance Agilent B1505A. Les points de biais quiescent d'impulsion d'anode sont fixés à −10 V, −20 V, −30 V, −40 V, −70 V et −100 V, avec une largeur d'impulsion d'anode et une période de 0,5 ms/500 ms. La Figure 9b montre le R_ON,SP dynamique en fonction de la tension de stress. Le R_ON,SP dynamique même à 100 V de tension de stress inverse est seulement 1,18 fois celui sans stress inverse, ce qui est comparable à la Ref. [8]. L'augmentation limitée du R_ON,SP dynamique contribue à la réduction de l'état d'interface. La dégradation du R_ON,SP dynamique nécessite un travail supplémentaire.

a Caractéristiques I-V sous mesure par impulsions. b R_ON,SP extrait versus base d'impulsion d'anode avec largeur d'impulsion/période = 0,5 ms/500 ms.

La Figure 10 présente le diagramme de référence de BV versus R_ON,SP pour les diodes de puissance GaN sur substrats Si/SiC/saphir [8, 10, 22, 25-31]. Le dispositif proposé avec L_AC de 11 μm démontre une BV de 1109 V avec un R_ON,SP correspondant de 1,17 mΩ cm², menant à une haute FOM de Baliga de 1051 MW/cm². Cette valeur est le meilleur résultat parmi les diodes de puissance GaN latérales sur substrat Si.

Diagramme de référence de BV versus R_ON,SP des diodes de puissance GaN sur substrats SiC/saphir/Si. Le courant de fuite inverse utilisé pour définir le claquage est aussi donné.

Conclusion

Une SBD GaN/AlGaN/GaN-sur-Si à double hétérojonction avec une haute figure de mérite est fabriquée. Le processus de gravure ICP à faible dommage résulte en des contacts ohmiques et Schottky optimisés pour le dispositif proposé. Par conséquent, un faible V_ON de 0,68 V avec une bonne uniformité et un faible R_ON,SP de 1,17 mΩ cm² sont obtenus dans le dispositif avec L_AC de 11 μm. Une haute FOM de Baliga de 1051 MW/cm² est atteinte en raison de l'effet de jonction de polarisation. La haute performance ensemble avec la technologie GaN-sur-Si à faible coût exhibe un grand potentiel pour les futures applications de puissance.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

SBD :

Diode à barrière de Schottky

2DEG/2DHG :

Gaz d'électrons/trous bidimensionnel

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

ICP :

Plasma à couplage inductif

TEM :

Microscope électronique à transmission

AFM :

Microscope à force atomique

BV :

Tension de claquage

R_ON,SP :

Résistance spécifique en état passant

V_ON :

Tension de mise en conduction

FOM :

Figure de mérite