Физика/2. Физика твердого тела.

Пушкарева К.В, Федин И.В., Федина В.В.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина 40

Моделирование прямой ветки ВАХ диода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD

Аннотация

В данной работе представлены результаты моделирования диода на осонове гетероструктуры AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD. Представленная модель учитывает пьезоэлектрические свойства полупроводников, низкополевую и высокополевую подвижности и эффекты рекомбинации носителей заряда.

Введение

Широкозонные полупроводники, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) привлекают всё большее внимание разработчиков как перспективные материалы силовой электроники. Прогнозы развития нитридных технологий показывают, что наиболее перспективными для изготовления мощных приборов микро- и наноэлектроники являются гетероструктуры AlGaN/GaN. Электрофизические параметры подобных систем позволяют создавать приборы с удельной электрической мощностью более 10 Вт/мм, что значительно превышает предельные параметры устройств на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs [1, 2].

Моделирование позволяет сократить время и стоимость экспериментальных работ для проверки влияния различных параметров гетероструктуры и геометрии омических (ОК) и барьерных (БК) контактов на выходные характеристики, а также позволит разрабатывать новые технологические решения для повышения эффективности ОК и БК.

Основная часть

В работе использовалась гетероструктура на основе AlGaN/GaN, представленная на рис. 1.

Рисунок 1 – Гетероструктура AlGaN/GaN с омическим и барьерным контактом

Структура включала в себя буферный слой GaN толщиной 0,5 мкм, нелегированный канал из GaN (45 нм), барьерный слой на основе Al_xGa_1-xN толщиной 15 нм. В качестве металлизации ОК использовался Ti. В качестве металлизации БК использовался Ni. На рис. 2 представлена зонная диаграмма области ОК (а) и БК (б). Ширина электродов составляла 100 мкм.

Из рис. 2 видно формирование квантовой ямы в области гетероперехода на границе двух полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. В данной квантовой яме формируется двумерный электронный газ (2DEG), отвечающий за хорошую проводимость и высокие частоты работы гетероструктурных приборов. Так же видно отличие в зонных диаграммах омического (рис. 2 а) и барьерных (рис. 2 б) контактов металл-полупроводник.

Рисунок 2 – Зонная диаграмма области омического (а) и барьерного (б) контактов.

На рис. 3 приведена вольт-амперная характеристика ВАХ моделируемой диодной структуры.

Рисунок 3 – ВАХ моделируемого диода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN с шириной электродов 100 мкм

Из рис. 3 видно, что напряжение открывания моделируемого диода составляет 0,8 В, ток анода при напряжении 1,2 В составляет 54 мА/мм Данные значения близки к реальным значениям нитрид галлиевых диодов.

В данной работе проводилось исследование влияния мольной доли алюминия в барьерном слое AlGaN на вольт-амперные характеристики (ВАХ) омических контактов к гетероструктуре AlGaN/GaN (рис. 4).

Рисунок 4 – Влияние мольной доли алюминия в барьерном слое AlGaN на ВАХ GaN диодов с расстоянием анод-катод 8 мкм

Как видно из рис. 4, при увеличении доли Al в барьерном слое растет ток через барьерный контакт, однако напряжение открывания не изменяется и остается на уровне 0.8 В. Максимальный ток 440 мА/мм получен при доле Al – 25%. Так же в данной работе исследовалось влияние расстояния между электродами (La-k) на ток через диод (рис. 5).

Как видно из рис. 5, уменьшение расстояния между электродами, способствует увеличению анодного тока до 800 мА/мм, что является следствием уменьшения сопротивление проводящего канала.

Рисунок 5 – Влияние расстояния между электродами (L) на ток через ОК

Заключение

В данной работе проводилось моделирование диода на основе гетероструктуры AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD. Используемые модели позволяют добиться физической достоверности формирования двумерного электронного газа (2DEG) в проводящем канале на границе двух полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. 2DEG формируется в результате образования квантовой ямы на границе AlGaN/GaN что является следствием пьезоэлектрических эффектов. Используемая модель позволяет учесть влияние мольной доли алюминия и расстояние между электродами на величину анодного тока GaN диода.

Литература

1 Гольцова М. Мощные GaN – приборы: истинно революционная технология // Электроника. 2012 вып. № 4 (00118) с. 86-100.

2 Гольцова М. Силовая полупроводниковая электроника // Электроника. – 2014. - вып. № 4 (00135) с. 54-70.