[논문 리뷰] Effects of Incomplete Ionization on Beta - Ga2O3 Power Devices: Unintentional Donor with Energy 110 meV

Adam T. Neal, Shin Mou외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 29.

Ga2O3 and related materials참고 문헌 40인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 온도 의존성 홀 측정 및 어드미ittance 스펙트로스코피를 통해 상업용 β-Ga₂O₃ 기반에서 110 meV의 뜻하지 않은 깊은 기부자 수준을 규명하였으며, 일관된 활성화 에너지를 통해 그 존재를 확인하였다. 기부자 농도는 10¹⁶ cm⁻³ 범위이며, 이로 인해 부분 이온화가 발생하여 전력 소자의 성능이 크게 떨어지며, 이는 on-저항을 증가시키고 차단 전압을 감소시킨다. 따라서 10 kV 동작을 위해 기부자 농도는 5×10¹⁴ cm⁻³ 이하로 유지되어야 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 상업용 β-Ga₂O₃ 기반에서 전력 소자의 성능을 제한하는 뜻하지 않은 도핑의 기원을 규명하는 것.
• Ga₂O₃ 슈트키 다이오드에서 저하된 차단 전압과 증가한 on-저항을 유발하는 미해결 기부자들의 전기적 특성을 규명하는 것.
• 깊은 기부자로부터의 부분 이온화가 특정 on-저항(Ronsp) 및 차단 전압과 같은 핵심 소자 지표에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 10 kV Ga₂O₃ 전력 소자에서 최소한의 성능 저하를 유지하기 위해 요구되는 110 meV 기부자의 농도 임계값을 설정하는 것.

제안 방법

• 상업적으로 이용 가능한 (-201) Ga₂O₃ 기반에서 1000 K까지의 온도 의존성 홀 효과 측정을 수행하여 기부자 에너지와 농도를 추출하였다.
• 독립적으로 기부자 에너지 수준과 활성화 에너지를 확인하기 위해 온도 의존성 어드미ittance 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 홀 측정과 어드미ittance 스펙트로스코피 결과를 상호 연계하여 두 기술 간의 기부자 에너지 측정 일관성을 확인하였다.
• 해석 모델링을 사용하여 110 meV 기부자가 슈트키 다이오드의 Ronsp 및 차단 전압에 미치는 영향을 평가하였다.
• 10 kV Ga₂O₃ 슈트키 다이오드에서 Ronsp 증가를 1% 이내로 제한하기 위한 기부자 농도 임계값을 계산하였다.
• 깊은 기부자가 존재하는 경우와 없는 경우의 소자 성능을 비교하여 부분 이온화의 영향을 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β-Ga₂O₃ 전력 소자의 성능 저하를 유발하는 뜻하지 않은 기부자의 에너지 수준과 농도는 무엇인가?
• RQ2 110 meV 기부자의 부분 이온화는 Ga₂O₃ 슈트키 다이오드의 특정 on-저항(Ronsp)과 차단 전압에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 10 kV Ga₂O₃ 전력 소자에서 Ronsp 저하를 1% 이내로 제한하기 위해 필요한 기부자 농도 임계값은 얼마인가?
• RQ4 110 meV 기부자의 존재는 Ronsp와 차단 전압 간의 상충관계를 어느 정도 악화시키는가?

주요 결과

• 온도 의존성 홀 효과 측정을 통해 상업적으로 이용 가능한 β-Ga₂O₃ 기반에서 활성화 에너지가 110 meV인 뜻하지 않은 기부자를 규명하였다.
• 온도 의존성 어드미ittance 스펙트로스코피를 통해 기부자 에너지가 131 meV로 확인되었으며, 홀 측정 결과와 양호한 일치를 보이며 깊은 수준의 존재를 검증하였다.
• 기부자 농도는 중간에서 높은 10¹⁶ cm⁻³ 범위로 결정되었으며, 이는 소자 성능에 상당한 영향을 미친다.
• 110 meV 기부자의 부분 이온화로 인해 Ronsp가 증가하고 차단 전압이 감소하여 표준 상충관계를 초월하여 소자 효율이 떨어진다.
• 10 kV 동작을 위해 기부자 농도는 5×10¹⁴ cm⁻³ 이하로 감소시켜야 Ronsp 증가를 1% 이내로 제한할 수 있다.
• 본 연구는 이 깊은 기부자를 제거하는 것이 Ga₂O₃ 전력 소자에서 고차단 전압과 낮은 on-저항을 달성하는 데 필수적임을 규명하였다.