混合沟槽阴极高精度AlGaN/GaN反向阻断电流调节二极管

摘要

在硅衬底上实验实现一种新型AlGaN/GaN横向反向阻断电流调节二极管（RB-CRD），具有沟槽肖特基阳极和混合沟槽阴极。集成肖特基势垒二极管（SBD）实现0.7 V开启电压和260 V反向击穿电压。混合沟槽阴极作为电流调节二极管（CRD）与阳极SBD串联，产生1.3 V拐点电压并在200 V以上正向工作。RB-CRD在25-300 °C保持稳定输出电流，负温度系数小于-0.152%/°C。

背景

宽禁带半导体正在重塑高功率、高频、高温电子学。GaN因大禁带、高电子迁移率和临界电场脱颖而出。AlGaN/GaN异质界面自发极化和压电极化产生高密度二维电子气（2DEG），实现低导通电阻高击穿电压器件。GaN-on-Si平台结合这些优势与成熟经济的硅晶圆和CMOS工艺，已展示广泛功率器件。增加RB-CRD等新功能器件可拓宽应用空间，加速AlGaN/GaN-on-Si技术商业化。

图1a展示RB-CRD结构：融合沟槽肖特基阳极与混合沟槽阴极。器件表现为SBD与CRD串联。一有前景应用是电池充电（图1b）：CRD向电池提供恒定电流，反向偏置SBD防止输入电压低于电池电压时反向放电。

方法

外延AlGaN/GaN堆叠在6英寸（111）Si上用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长。层结构：2 nm GaN覆盖层、23 nm AlGaN势垒层、1 nm AlN中间层、300 nm GaN沟道层、3.5 µm缓冲层。霍尔测试显示2DEG密度9.5×10¹² cm⁻²，迁移率1500 cm²/V·s。制备流程（图2）始于低功率Cl₂/BCl₃ ICP工艺浅沟槽刻蚀（20 W RF、60 W ICP、5 sccm Cl₂、10 sccm BCl₃，刻蚀率7 nm/min）。随后台面隔离和阳极沟槽刻蚀。Ti/Al/Ni/Au（20/150/55/60 nm）欧姆接触电子束蒸发沉积，N₂中880 °C退火35秒，欧姆接触电阻1.1 Ω·mm，方块电阻400 Ω/□。最后沉积Ni/Au（50/300 nm）肖特基堆叠。阳极-阴极间距（L_AC）4 µm；欧姆接触长度（L_O）0.5 µm；肖特基接触长度（L_S）1 µm，悬垂（L_E）0.5 µm。

结果与讨论

AFM成像（图3a）显示沟槽底部极其光滑，粗糙度0.3 nm，利于可靠金属-半导体接触。17 nm沟槽凹陷留下8 nm AlGaN势垒，确保零偏下2DEG保持活性（图3b）。

RB-CRD工作可视为三个偏置区域（图4）。零偏时器件表现为肖特基漏极耗尽模式HEMT。负阳极偏置时阳极SBD反向偏置，器件阻断电流，作反向偏置SBD。阳极电压超过SBD开启（≈1 mA/mm）时，电子从阴极欧姆接触流向阳极肖特基接触；同时阴极肖特基结反向偏置，耗尽肖特基区下2DEG驱动电流趋于饱和。这种自调节电流流产生稳定输出电流。

温度依赖正向I-V特性（图5a）显示膝点电压（V_k）在调节电流80%处为1.3 V，因额外阳极SBD 0.7 V压降超越前人CRD（≈0.6 V）。温度从25 °C升至300 °C时SBD开启电压下移，符合热离子发射理论。器件维持稳定电流至200 V（图5b），优于商用Si基CRD。25 °C下I_200V/I_25V=0.998，确认卓越稳定性。温度系数小于-0.152%/°C，由I-T关系α=(I₁-I₀)/[I₀(T₁-T₀)]×100%导出。

反向击穿电压25 °C峰值260 V，对应平均临界电场0.65 MV/cm。但温度升至300 °C时反向漏电流上升两个数量级（图6）。

结论

首创AlGaN/GaN-on-Si RB-CRD，融合沟槽肖特基阳极与混合沟槽阴极。器件实现1.3 V膝点电压、200 V以上可靠工作、260 V反向击穿。输出电流精度极高，负温度系数低于-0.152%/°C。这些特性使RB-CRD成为下一代GaN功率电子学有力候选者，特别适用于电池充电等恒流应用。

缩略语

2DEG：

二维电子气

AFM：

原子力显微镜

ICP：

感应耦合等离子体

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