Физика/2. Физика твердого тела.

Федин И.В., Федина В.В. Кутков И.В., Ерофеев Е.В.

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

AlGaN/GaN диоды с барьерами Шоттки на основе Ni, Ta, WSi и TiN

Аннотация

В данной работе приведены результаты исследования влияния различных барьеров Шоттки (БШ) на вольт-амперные характеристики AlGaN/GaN диодов. Рассматривались барьеры на основе Ni, Ta, TiN и SiW. Показано, что наибольшими токами прямого смещения (I_ПР = 68,5 мА/мм при U = +1,2 В) обладают диоды с БШ на основе Ta, однако, в то же время, токи утечки у таких диодов очень высоки (I_УТ ≈ 100 мкА/мм). Диоды с БШ на основе Ni обладают хорошим соотношением прямого (I_ПР = 55 мА/мм при U = +1,2 В) и обратного (I_УТ ≈ 12 мкА/мм) токов. Диоды с БШ на основе SiW обладают током прямого смещения I_ПР = 20 мА/мм (U = +1,2 В) и токами утечки I_УТ ≈ 5 мкА/мм. Диоды с БШ на основе TiN обладают наименьшим током утечки I_УТ < 1 мкА/мм а так же очень малым током прямого смещения (I_ПР = 0,16 мА/мм при U = +1,2 В).

Введение

Широкозонные полупроводники, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) привлекают всё большее внимание разработчиков как перспективные материалы силовой электроники. Мощные переключательные GaN диоды Шоттки чрезвычайно перспективны для применений в связке с GaN транзисторами в устройствах преобразовательной техники. Проводимость в открытом состоянии и потери при переключении, так же как и токи утечки при обратном смещении существенно ограничивают переключательные возможности мощных диодов с барьером Шоттки. GaN гетероструктурные диоды Шоттки способны пододвинуть эти ограничения, таким образом, давая возможность создавать высокоэффективные диоды с низкими сопротивлением и малыми потерями при переключении [1, 2]. Данные свойства обусловлены возникновением двумерного электронного газа, локализованного в области гетероперехода между GaN и AlGaN эпитаксиальными слоями. Данная область характеризуется высокой плотностью и подвижностью носителей заряда в канале, а так же высокой электрической прочностью, что определяет высокие показатели GaN диодов. В данной работе представлены результаты исследования влияния анодной металлизации на вольт-амперные характеристики (ВАХ) GaN диодов.

Основная часть

Для изготовления диодов с барьером Шоттки (ДБШ) использовалась гетероструктура на основе эпитаксиальных слоёв нитрида галлия, выращенная методом металлорганической газофазной эпитаксии на кремниевой подложке. Гетероструктура включала в себя буферный слой GaN, нелегированный канал i-GaN и барьерный слой AlGaN. На рис. 1 приведено схематическое изображение структуры диода.

Рисунок 1 – Прямая ветвь ВАХ диодов с анодами на основе Ta, Ni, WSi и TiN. L_A-К = 6 мкм.

Первой операцией проводилось формирование межприборной меза-изоляции методом плазмохимического травления по фоторезистивной маске. Затем методом взрывной литографии проводилось формирование Ta/Al омических контактов (ОК). После вжигания ОК поверхность пассивировалась диэлектрической пленкой SiNx. Затем проводилось вскрытие окон в диэлектрике под анод и плазмохимическое травление рецесса анода (50% от толщины AlGaN) по твёрдой маске диэлектрика. Далее методом взрывной литографии формировалась анодная металлизация барьерного контакта (БК). Аноды на основе Ta и Ti напылялись методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Аноды на основе WSi и TiN формировались методом магнетронного распыления.

На рис. 2 приведена ВАХ диодов с расстоянием анод-катод (L_A-К) 6 мкм.

Как видно из рис. 2, материал барьера Шоттки оказывает определяющее воздействие на прямую ветвь ВАХ диодов.

Рисунок 2 – Прямая ветвь ВАХ диодов с анодами на основе Ta, Ni, WSi и TiN. L_A-К = 6 мкм.

На рис. 3 (а) приведены значения тока прямого смещения при напряжении U_А-К = 1,2 В. На рис. 3 (б) приведены значения напряжения открывания диодов по уровню тока 1 мА/мм.

Рисунок 3 – Значения тока при прямом смещении U_ПР = 1,2 В (а) и напряжения открывания диодов с различными анодами

Как видно из рис. 3, наибольшим током (I_ПР = 68,5 мА/мм) и наименьшим напряжением открывания (U_ОТКР = 0,25 В) обладают диоды с Ta анодом. Наименьшим током (I_ПР = 0,16 мА/мм) и наибольшим напряжением открывания (U_ОТКР = 1,6 В) обладают диоды с TiN анодом. На рис. 4 приведена обратная ветвь ВАХ диодов с разными анодами.

Рисунок 4 – Обратная ветвь ВАХ диодов с анодами на основе Ta, Ni, WSi и TiN. L_A-C = 6 мкм.

Как видно из рис. 4, что наименьшим фоновым током утечки (<1 мкА/мм) обладают диоды с анодом на основе TiN, наибольшим фоновым током утечки (≈100 мкА/мм) обладают диоды с анодом на основе Ta.

На рис. 5 приведена зависимость напряжения пробоя диодов с анодами на основе Ni, WSi и TiN от расстояния анод-катод (L_А-К). Напряжение пробоя диодов с Ta анодами померить не удалось, так как оно превышало 450 В при L_А-К = 3 мкм, что является пределом для применяемой аппаратуры.

Рисунок 5 – Зависимость напряжения пробоя диодов с различными анодами от расстояния анод-катод

Как видно из рис. 5, наибольшим напряжением пробоя обладали диоды с анодами на основе Ta (U_ПР>450 В при l_А-К = 3 мкм). Наименьшее напряжение пробоя у Ni анодов. Аноды из тугоплавких металлических соединений обладали промежуточными результатами. Все образцы показали линейную зависимость напряжения пробоя от расстояния анод-катод в диапазоне от 3 до 6 мкм.

Заключение

В данной работе приведены исследования ВАХ AlGaN/GaN диодов с барьерами Шоттки (БШ) на основе Ni, Ta, TiN и WSi. Диоды с анодом на основе Ta характеризуются малым напряжением открывания (U_ОТКР = 0,25 В), высокими токами прямого смещения (I_ПР = 68,5 мА/мм при U = +1,2 В) и высокими пробивными напряжениями (U_ПР>450 В при L_А-К = 3 мкм). В то же время диоды с Ta анодами обладают чрезвычайно большими фоновыми токами утечки (I_УТ ≈ 100 мкА/мм), что непременно приведёт к большим потерям при их использовании в составе электронных приборов. Таким образом, без решения проблемы токов утечки GaN диоды с анодом на основе Ta являются малоперспективными.

AlGaN/GaN диоды с барьером Шоттки на основе Ni обладают невысоким напряжением открывания (U_ОТКР = 0,45 В) и токами прямого смещения на уровне 55 мА/мм (при U = +1,2 В). Так же у них наблюдается не очень большой фоновый ток утечки (I_УТ ≈ 12 мкА/мм) и достаточно высокие пробивные напряжения (U_ПР = 375 В при L_А-К = 6 мкм). Комплекс данных параметров делают аноды на основе Ni очень привлекательными к использованию в AlGaN/GaN диодах.

AlGaN/GaN диоды с БШ на основе WSi, по сравнению с Ni, обладают повышенным напряжением открывания (U_ОТКР = 0,65 В) и, как следствие, меньшим током прямого смещения (I_ПР = 20 мА/мм при U = +1,2 В). Однако, вместе с этим, ток утечки WSi БШ значительно меньшие, чем у Ni БШ (I_УТ ≈ 5 мкА/мм), а напряжение пробоя больше (U_ПР = 390 В при L_А-К = 6 мкм). Таким образом, повышение токов прямого смещения WSi БШ позволит сделать их очень перспективными к применению в AlGaN/GaN диодах.

В данном исследовании AlGaN/GaN диоды с БШ на основе TiN обладают очень высоким напряжением открывания (U_ОТКР = 1,6 В) и, соответственно, очень низким током прямого смещения (I_ПР = 0,16 мА/мм при U = +1,2 В). Вместе с этим, напряжение пробоя является у TiN БШ достаточно высокое (U_ПР = 425 В при L_А-К = 6 мкм) а токи утечки низкие (I_УТ < 1 мкА/мм).

Литература

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

2 Zhu M., Song B., Qi V., Hu Z., Nomoto K, Yan X., Cao Y., Johnson W., Kohn E., Jena D. “1.9-kV AlGaN/GaN Lateral Schottky Barrier Diodes on Silicon” // IEEE El. Dev. Lett. 2015. V. 36. No. 4. pp. 375-377.