Laterale Hochvolt-GaN-Schottkydioden für schnelle Leistungsschalter
Abb. 1: Schematischer Querschnitt durch eine laterale Schottkydiode. Durch eine gut definierte Rückätzung kontaktiert das Anodenmetall direkt das 2DEG Gebiet.
Abb. 2a: Auf den kompletten Wafer bezogener Median der elektrischen Diodeneigenschaften von Bauelementen (Diodenbreite: 100 µm, Kathoden-Anodenabstand (LAC): 2 µm). Vergleich von planaren (rot) und rückgeätzten Diodentypen (blau). Fehlerbalken repräsentieren die 25% und 75% Perzentilen). Inset: Dioden-Sperrverhalten im logarithmischen Maßstab.
Abb. 2b: Median des spezifischen Einschaltwiderstands in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung (VBR über RON×A) für Schottkydioden mit 250 µm Breite. Der Kathoden-Anodenabstand skaliert von 2 µm zu 15 µm; die Fehlerbalken repräsentieren die 25% und 75% Perzentilen. Die gestrichelte Linie entspricht der quadratischen Anpassung der Messdaten.
Hocheffiziente elektrische Leistungskonverter sind eine der Voraussetzungen für umweltfreundliche elektronische Systeme. In diesem Zusammenhang ist zu erwarten, dass sich aktive Leistungsschalter auf GaN-Basis sich zu einer der erfolgversprechendsten Technologien entwickeln werden. Im Gegensatz zu Si-Leistungsschaltern besitzen diese Bauelemente jedoch keine integrierte Diode (Bodydiode). Daher ist es notwendig, Schottkydioden mit möglichst idealen Eigenschaften zu entwickeln, um sie beispielsweise als Freilaufdioden in modernen Konverterschaltungen einzusetzen. Die elektrischen Eigenschaften dieser Dioden wie Sperrspannung, Einschaltspannung, Einschaltwiderstand und Schaltverhalten sollten kompatibel zu den neu entwickelten GaN-Schaltern sein, um möglichst effiziente Konvertertopologien zu ermöglichen. Dazu wurden Schottkydioden mit lateraler Topologie entwickelt. Diese Bauelemente nutzen die idealen elektrischen Leitungseigenschaften des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) an der AlGaN/GaN-Grenzfläche. Hohe Durchbruchspannungen der gesperrten Dioden werden durch besondere Epitaxieschichten erreicht, die einen "Punch through"-Effekt durch die Bufferschicht verhindern [1]. Aufgrund dieser Konzeption zeichnen sich diese Dioden durch geringe Einschaltspannungen in Kombination mit sehr guten Sperr- und Schalteigenschaften aus [2, 3].
Wie in Abb. 1 dargestellt, ist die Metallisierung der Schottkydioden (Anode) in direktem Kontakt mit dem 2DEG. Dieses wird durch eine speziell angepasste Rückätz-Technologie erreicht. Die Anode fungiert dabei gleichzeitig als Feldplatte und reduziert damit kritische Feldkonzentrationen. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Konzept zu einer geringen Barrierenhöhe des Schottky-Übergangs führt, während die Sperreigenschaften dadurch nicht beeinträchtigt sind. [2, 3]. Abb. 2a zeigt den auf eine kompletten Wafer bezogenen Median des Diodenstroms in Fluß- und in Sperrrichtung für verschiedene Diodenversionen. Im Vergleich zu rein planaren Schottkydioden erreichen Dioden mit rückgeätzter Anode eine sehr viel kleinere Einschaltspannung von lediglich 0,46 V gegenüber 1,2 V (gemessen bei einem normierten Strom von 1 mA/mm). Sie ist praktisch unabhängig vom Abstand zwischen Anode und Kathode. Diese Eigenschaften sind vermutlich auf direkten Kontakt zwischen Anodenmetall und dem 2DEG-Gebiet zurückzuführen (Abb. 1). Im Gegensatz zu Schottkydioden auf Volumenhalbleitern beeinträchtigt die geringere Barrierenhöhe die Durchbruchspannung nicht. Dadurch erklären sich auch die guten Skalierungseigenschaften der Durchbruchspannung mit zunehmendem Kathoden–Anodenabstand LAC wie in Abb. 2b dargestellt. Eine quadratische Abhängigkeit der Durchbruchspannung von LAC wurde festgestellt. Dieses demonstriert ein praktisch ideales Schottkydioden-Verhalten. Der Einschaltwiderstand der Dioden ergibt sich bei LAC Werten von 2 µm und 15 µm zu 5,2 × 10‑5 Ω cm2 und 1,5 × 10‑3 Ω cm2. Der maximale Flussstrom bei diesen Bauelementabmessungen erreicht 0,9 A/mm bzw. 0,4 A/mm. Bauelemente mit einem Kathoden–Anodenabstand größer als 15 µm erreichen über 1000 V Sperrspannung. Diese sehr hohe Sperrspannung kann nur durch die besondere Form der Anodenstruktur erreicht werden, die gleichzeitig als integrierte Feldplatte wirkt und damit die Intensität des elektrischen Felds in der Nähe des Anodenmetalls reduziert [1].
Publikationen:
[1] E. Bahat-Treidel et al, "Punchthrough-voltage enhancement of Al-GaN/GaN HEMTs using AlGaN double-heterojunction confinement", IEEE Trans. on Electron Devices; 55(12), pp. 3354-3359 (2008).
[2] E. Bahat-Treidel, O. Hilt, R. Zhytnytska, E. Cho, J. Würfl, G. Tränkle, "AlGaN/GaN/GaN:C back‑barrier Schottky diodes for power switching", Proceedings of the 35th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits, ISBN 978-88-8080-123-8, pp. 165-166, (2011).
[3] E.Bahat-Treidel, O. Hilt, R. Zhytnytska, E.Cho, J. Würfl, G. Tränkle, "GaN-Based Schottky diodes with low onset voltage and strong reverse blocking", Abstracts of the 38th International Symposium on Compound Semiconductors – ISCS 2011, pp. 246-247, (2011).
FBH-Forschung: 07.07.2011