具有混合沟槽阴极的高精度 AlGaN/GaN 反向阻断 CRD (RB-CRD)

背景

宽带隙半导体在下一代大功率、高频和高温器件方面引起了相当大的关注。 GaN 是最有前途的宽带隙半导体之一，因为它具有大带隙、高电子迁移率和高临界电场等优越性能 [1,2,3,4,5]。此外，由于自发极化和压电极化的结合，可以在 AlGaN/GaN 异质界面处实现高密度二维电子气（2DEG）。如此优异的性能使基于 AlGaN/GaN 的功率器件能够以低导通电阻运行，同时保持高击穿电压。硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 平台 [6,7,8] 被认为是实现高性能和低成本功率器件的最有前途的技术，因为大直径硅晶片的可用性和与现有成熟的 CMOS 制造工艺兼容。迄今为止，各种功率器件 [9,10,11,12,13,14,15,16] 已经在 AlGaN/GaN-on-Si 上进行了演示，其中一些已经商用。同时，具有新功能的AlGaN/GaN器件的开发可能会扩大AlGaN/GaN-on-Si的应用潜力，有利于促进AlGaN/GaN技术的广泛商业化。

如图 1a 所示，在这项工作中，在 AlGaN/GaN-on-Si 上实验证明了一种称为反向阻断电流调节二极管 (RB-CRD) 的新型器件。 RB-CRD 具有沟槽肖特基阳极和混合沟槽阴极。在阳极处形成沟槽肖特基势垒二极管 (SBD)，而在混合沟槽阴极中实现 CRD。 RB-CRD可以看作是与CRD串联的SBD。 RB-CRD 的典型应用是电池充电，如图 1b 所示。在上述电池充电电路中，CRD充当恒流源，无论输入和电池之间的正向电压波动如何，它都会输出恒定电流为电池充电[17,18,19]。如果输入电压低于电池电压，电路中的反向偏置 SBD 将阻止电池放电。

一 RB-CRD 的横截面示意图。 b RB-CRD电池充电电路图

方法

用于制造 RB-CRD 的外延 AlGaN/GaN 异质结构通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在 6 英寸 (111) 硅衬底上生长。外延层由 2-nm GaN 帽盖、23-nm AlGaN 势垒、1-nm AlN 中间层、300-nm GaN 通道和 3.5-μm 缓冲层组成。 2DEG 的霍尔效应测量密度和迁移率分别为 9.5 × 10 ¹² cm ⁻² 和 1500 cm ² /V·s，分别。器件制造过程如图 2 所示。首先，通过基于低功率 Cl2/BCl3 的电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻技术在 RB-CRD 的阴极蚀刻浅沟槽（见图 3）。使用开发的蚀刻配方观察到蚀刻速率为 7 nm/min，RF 功率为 20 W，ICP 功率为 60 W，Cl2 流量为 5sccm，BCl3 流量为 10sccm。然后，使用相同的ICP蚀刻技术形成深度为300 nm的台面隔离以断开器件。通过该工艺同时完成阳极沟槽。之后，通过电子束蒸发沉积 Ti/Al/Ni/Au（20/150/55/60 nm nm）金属叠层，然后在 N2 环境中在 880 °C 下快速热退火 35 s。通过传输线法提取1.1 Ωmm的欧姆接触电阻和400 Ω/平方的薄层电阻。最后，器件制造过程以 Ni/Au (50/300 nm) 肖特基金属叠层沉积告终。正负极之间的距离（L AC) 为 4 μm。欧姆接触的长度 (L O) 和肖特基接触 (L S) 在阴极沟槽中分别为 0.5 μm 和 1 μm。延伸的悬垂 (L E) 肖特基接触点为 0.5 μm。

RB-CRD制造工艺流程

一 阴极沟槽的 AFM 图像。 b 取自阴极沟槽的高度剖面

结果与讨论

图 3a 显示了制造的阴极沟槽的 3D 原子力显微镜 (AFM) 图像。阴极沟槽底部的表面粗糙度为0.3 nm。如此小的表面粗糙度有利于后续的金属-半导体接触。如图 3b 所示，在 17 纳米深度的阴极沟槽凹陷中，8 纳米的 AlGaN 阻挡层保留在阴极沟槽区域中。这种剩余的AlGaN势垒层使得阴极沟槽区中的2DEG沟道始终以零偏压存在。

图 4 说明了 RB-CRD 的运行机制。当零偏压施加到阳极 (V AC =0 V)（参见图 4a），RB-CRD 类似于具有栅源电极连接的肖特基漏极耗尽模式 HEMT。当对阳极施加负偏压时 (V AC <0 V)（见图 4b），电子将在阴极沟槽区域积累，而阳极区域的 2DEG 通道将由于反向偏置肖特基结而耗尽。阳极和阴极之间没有所需的电流，RB-CRD 充当反向偏置的 SBD。如图 4c 所示，当正偏压超过导通电压 (V T , 以 1 mA/mm) 的阳极 SBD 施加到阳极 (V AC> V T )，电子将在阴极的欧姆接触和阳极的肖特基接触之间流动。同时，阴极中的肖特基结被反向偏置，肖特基接触下的 2DEG 通道将随着正向偏置的增加而逐渐耗尽。因此，输出电流最初会随着施加的阳极电压而增加，然后逐渐达到饱和。在这种情况下，可以获得稳定的输出电流。

a下RB-CRD的运行机制示意图 零偏差，b 反向偏置和 c 正向偏置条件

温度相关的正向 I-V 晶圆上 RB-CRD 的特性如图 5 所示。如图 5a 所示，对于 RB-CRD，拐点电压 (V K ，在稳定调节电流的 80% 时）获得 1.3 V，这高于我们之前报道的 CRD（例如，典型值 0.6 V）[20, 21]。这是由于 RB-CRD 阳极 SBD 上的额外电压降（例如，典型值 0.7 V）。随着温度从 25 升高到 300 °C（见图 5a），V 的负移 T 观察到，这可以通过热电子发射模型来解释（即，电子在较高温度下克服肖特基势垒所需的能量较少）。 RB-CRD 能够输出高达 200 V 的稳定调节电流（见图 5b），这高于报道的基于硅的商用 CRD [22,23,24] 的最大工作电压。在 25 °C 时，调节电流比 (I 200 V /我 25 V ) 的 RB-CRD 为 0.998，表明输出电流非常稳定。由于 AlGaN/GaN 平台固有的高温操作能力，RB-CRD 在 I 的稳定性方面表现出可忽略不计的退化 A 在高达 300 °C 的温度下高达 200 V。同时，随着温度从 25 升高到 300 °C，正向 I A 由于在升高的温度下电子迁移率降低，因此从 31.1 降低到 23.1 mA/mm，如图 5b 所示。温度系数 (α ) 不同温度范围的调节电流可由下式计算

其中我 0 是温度 T 下的输出电流 0 和 I 1 是温度 T 下的输出电流 1. 温度系数小，小于− 0.152%/ ^o 观察到C，表明制备的RB-CRD具有优异的热稳定性。

温度相关正向偏置 I -V RB-CRD 的特性。阳极电压范围：a 0–2 V，b 0-200 V

如图 6 的插图所示，RB-CRD 的反向击穿电压在 25 °C 时为 260 V。相应的平均临界电场计算为 0.65 MV/cm。温度相关的反向I-V RB-CRD 的特性如图 6 所示。环境温度从 25 增加到 300 °C 会导致漏电流增加两个数量级。

温度相关反向偏置 I -V RB-CRD的特性

结论

总之，首次成功展示了具有沟槽肖特基阳极和混合沟槽阴极的新型 AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD。制造的 RB-CRD 表现出 V K 1.3 V，正向工作电压超过200 V，反向击穿电压为260 V。精度高，负温度系数小，小于− 0.152%/ ^o 已经为 RB-CRD 获得了 C。高精度的多功能RB-CRD在应用于新兴GaN电力电子系统方面具有巨大潜力。

缩写

2DEG：

二维电子气

原子力显微镜：

原子力显微镜

ICP：

电感耦合等离子体

MOCVD：

金属有机化学气相沉积

RB-CRD：

反向阻断电流调节二极管

SBD：

肖特基势垒二极管