[論文レビュー] Effects of Incomplete Ionization on Beta - Ga2O3 Power Devices: Unintentional Donor with Energy 110 meV

Adam T. Neal, Shin Mou+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2017

Ga2O3 and related materials参考文献 40被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、温度依存ホール効果およびアドミittance分光法を用いて、商業的β-Ga2O3基板に存在する110 meVの意図しない深レベル供与体を同定した。活性化エネルギーの一貫性からその存在を確認した。この供与体は10^16 cm⁻³の範囲の濃度を示し、不完全なイオン化を引き起こし、オン抵抗を増加させ、ブレークダウン電圧を低下させることで、パワー素子の性能を著しく劣化させる。10 kV動作においては、この供与体濃度を5×10^14 cm⁻³未満に抑える必要がある。

ABSTRACT

Understanding the origin of unintentional doping in Ga2O3 is key to increasing breakdown voltages of Ga2O3 based power devices. Therefore, transport and capacitance spectroscopy studies have been performed to better understand the origin of unintentional doping in Ga2O3. Previously unobserved unintentional donors in commercially available (-201) Ga2O3 substrates have been electrically characterized via temperature dependent Hall effect measurements up to 1000 K and found to have a donor energy of 110 meV. The existence of the unintentional donor is confirmed by temperature dependent admittance spectroscopy, with an activation energy of 131 meV determined via that technique, in agreement with Hall effect measurements. With the concentration of this donor determined to be in the mid to high 10^16 cm^-3 range, elimination of this donor from the drift layer of Ga2O3 power electronics devices will be key to pushing the limits of device performance. Indeed, analytical assessment of the specific on-resistance (Ronsp) and breakdown voltage of Schottky diodes containing the 110 meV donor indicates that incomplete ionization increases Ronsp and decreases breakdown voltage as compared to Ga2O3 Schottky diodes containing only the shallow donor. The reduced performance due to incomplete ionization occurs in addition to the usual tradeoff between Ronsp and breakdown voltage. To achieve 10 kV operation in Ga2O3 Schottky diode devices, analysis indicates that the concentration of 110 meV donors must be reduced below 5x10^14 cm^-3 to limit the increase in Ronsp to one percent.

研究の動機と目的

• 商業的β-Ga2O3基板に起因する意図しないドーピングの原因を同定すること。
• Ga2O3ショットキダイオードにおいてブレークダウン電圧の低下とオン抵抗の増加を引き起こす未同定の供与体の電気的特性を特徴づけること。
• 深レベル供与体に起因する不完全なイオン化が、特定オン抵抗（Ronsp）やブレークダウン電圧といった主要なデバイス指標に与える影響を定量すること。
• 10 kV Ga2O3パワー素子において、性能劣化を最小限に抑えるために必要な110 meV供与体の濃度閾値を確立すること。

提案手法

• 商業的(-201)Ga2O3基板における供与体エネルギーと濃度を抽出するために、1000 Kまで達する温度依存ホール効果測定を実施した。
• 独立して供与体エネルギー準位と活性化エネルギーを検証するために、温度依存アドミタンス分光法を実施した。
• ホール測定とアドミタンス分光法の結果を照合し、両手法間での供与体エネルギー測定の一貫性を確認した。
• 解析的モデリングを用いて、110 meV供与体がショットキダイオードのRonspおよびブレークダウン電圧に与える影響を評価した。
• 10 kV Ga2O3ショットキダイオードにおいて、Ronspの増加を1%に抑えるために必要な供与体濃度閾値を計算した。
• 深レベル供与体の有無に応じたデバイス性能を比較し、不完全なイオン化の影響を隔離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β-Ga2O3パワー素子の性能劣化を引き起こす意図しない供与体のエネルギー準位と濃度は何か？
• RQ2 110 meV供与体の不完全なイオン化は、Ga2O3ショットキダイオードの特定オン抵抗（Ronsp）およびブレークダウン電圧にどのように影響するか？
• RQ3 10 kV Ga2O3パワー素子において、Ronspの劣化を1%に抑えるために必要な供与体濃度閾値は何か？
• RQ4 110 meV供与体の存在は、Ronspとブレークダウン電圧のトレードオフをどの程度悪化させるか？

主な発見

• 温度依存ホール効果測定を用いて、商業的β-Ga2O3基板に110 meVの意図しない供与体が同定された。
• 温度依存アドミタンス分光法により、供与体エネルギーが131 meVであることが確認され、ホール測定と良好に一致し、深レベルの存在が裏付けられた。
• 供与体濃度は10^16 cm⁻³の範囲の中央〜高濃度帯に位置し、デバイス性能に顕著な影響を与えた。
• 110 meV供与体の不完全なイオン化は、標準的なトレードオフを上回り、Ronspを増加させ、ブレークダウン電圧を低下させ、デバイス効率を劣化させた。
• 10 kV動作においては、Ronspの増加を1%に抑えるために、供与体濃度を5×10^14 cm⁻³未満に低下させる必要がある。
• 本研究により、この深レベル供与体を排除することが、Ga2O3パワー素子において高ブレークダウン電圧と低オン抵抗を達成する上で極めて重要であることが明らかになった。