Ge掺杂垂直GaN肖特基势垒二极管的快速反向恢复特性

摘要

在Ge掺杂自支撑GaN衬底上生长的垂直GaN肖特基势垒二极管（SBD）展现出优异晶体质量和电学性能。阴极发光成像显示位错密度均匀约为1.3×10⁶ cm⁻²。器件呈现低开启电压V_on 0.70–0.78 V，I_on/I_off比为9.9×10⁷至1.3×10¹⁰。反向恢复测试显示100–500 µm直径器件恢复时间为15.8–24.5 ns，恢复时间和恢复电荷均与电极面积正相关。

引言

宽禁带半导体，特别是GaN，已成为下一代高频、高功率、高性能电子学的关键[1-6]。氢化物气相外延（HVPE）近期进展实现低位错GaN衬底（≤10⁶ cm⁻²）商业化生长[7-10]。基于此类衬底的垂直器件架构相比横向设计提供更大电流密度、更少漏电路径、更高可靠性[11,12]。

GaN基肖特基势垒二极管是功率开关电路关键元件。其单极性消除少数载流子储存，带来高开关速度和低反向恢复损耗[13-17]。但垂直GaN SBD反向恢复行为系统研究尚缺。本工作在Ge掺杂自支撑GaN上制备垂直SBD，严格评估其反向恢复性能。

Ge是GaN有吸引力的n型掺杂剂，浅能级激活能（≈20 meV）与Si相当，但离子半径较小导致晶格畸变更小[19-20]。Ge掺杂报道可获得更平滑表面和更低缺陷密度[21,22]，并增强热稳定性，这对高温器件至关重要。本文首次系统研究Ge掺杂垂直GaN SBD反向恢复特性。

方法与实验

器件结构见图1a：390 µm厚自支撑n⁺-GaN衬底上外延9 µm n⁻-GaN漂移层。衬底经HVPE生长，掺1×10¹⁸ cm⁻³ Ge，位错密度1×10⁶ cm⁻²[7]。外延层以≈2 µm h⁻¹速率经金属有机化学气相沉积生长。

器件制备：背面形成Ti/Al/Ni/Au欧姆接触，正面蒸发Ni/Au肖特基电极，直径100、200、300、400、500 µm（图1b）。完整工艺详见早期报告[23,24]。

Quanta 400 FEG SEM 10 kV下阴极发光（CL）成像绘制位错分布。Keithley 4200分析仪测电容-电压（C-V）和电流-电压（I-V）。300–500 K温度相关测试用定制装置。

结果与讨论

图1c显示外延层CL图。暗斑指示非辐射位错中心；均匀分布得平均密度≈1.3×10⁶ cm⁻²，确证高质量晶体生长。

1 MHz下记录C-V和G-V曲线（图2a-b）。1/C²-V图得施主浓度N_d≈6.2×10¹⁵ cm⁻³。相位角θ经tan⁻¹(2πfC/G)计算维持≈90°，指示肖特基势垒漏电极小（图2b插图）。

J-V特性（图2c）显示所有直径I_on/I_off比为9.9×10⁷至1.3×10¹⁰，V_on在0.70–0.78 V间，展现优异电子性能。

反向恢复测量用图3a测试电路。方波电压（+20 V至-20 V）驱动器件；Tektronix MDO 4104-3示波器高速探头捕捉瞬态电流。反向恢复波形（图3b）定义储存时间t_a、反向电流延迟t_b、恢复时间T_rr（至峰值反向电流10%时刻）。反向恢复电荷Q_rr为反向电流积分至T_rr。

图4显示所有电极直径反向恢复电流。T_rr分别为100、200、300、400、500 µm器件的15.8、16.2、18.1、21.22、24.5 ns。对应Q_rr为0.0127、0.0536、0.150、0.280、0.405 nC。所有器件亚25 ns恢复，最小器件最快。T_rr和Q_rr均随电极面积增加。

为探究电压依赖性，重复±10 V测量。T_rr基本不变，Q_rr继续随直径平方（即电极面积）缩放（图6）。

主导机制为陷阱介导储存而非寄生电感。均匀陷阱分布导致Q_rr与接触面积成正比。因此RC时间常数随器件直径增长，解释T_rr线性增加。减小电极尺寸或漂移层厚度可进一步改善恢复性能，早期工作佐证[29]。

500 µm器件温度依赖性评估（图7）。300–500 K范围内反向恢复时间和电荷不变，表明GaN陷阱浓度温度不敏感，区别于Si基SBD在300–425 K间T_rr可增>190%[17]。GaN优越热稳定性奠定其高温功率开关适用性。

结论

在HVPE生长Ge掺杂自支撑衬底上制备垂直GaN肖特基势垒二极管。阴极发光和电学测量确证高晶体质量和优异电子性能。反向恢复测试显示100–500 µm直径器件恢复时间15.8–24.5 ns，T_rr和Q_rr随电极面积正向缩放。这些发现为优化GaN基SBD用于高速、高温功率应用提供基准。