[论文解读] 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 36

一句话总结

本研究通过温度依赖的霍尔效应和导纳谱学方法，在β-Ga₂O₃衬底中识别出一个110 meV的非故意深能级施主，其存在通过一致的活化能得到证实。该施主浓度在10¹⁶ cm⁻³量级，导致不完全电离，显著降低功率器件性能，表现为开启电阻增加和击穿电压降低，因此为实现10 kV工作，必须将施主浓度控制在5×10¹⁴ cm⁻³以下。

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.

研究动机与目标

• 识别商业用β-Ga₂O₃衬底中导致功率器件性能受限的非故意掺杂来源。
• 表征导致Ga₂O₃肖特基二极管击穿电压降低和开启电阻增加的未知施主的电学特性。
• 量化来自深施主的不完全电离对关键器件参数（如比开启电阻Ronsp和击穿电压）的影响。
• 确定在10 kV Ga₂O₃功率器件中保持最小性能退化的110 meV施主浓度阈值。

提出的方法

• 在高达1000 K的温度下进行温度依赖的霍尔效应测量，以提取商业可用(-201)取向Ga₂O₃衬底中的施主能级和浓度。
• 进行温度依赖的导纳谱学测量，以独立验证施主能级和活化能。
• 将霍尔效应与导纳谱学结果进行关联，确认不同技术间施主能级测量的一致性。
• 采用解析建模评估110 meV施主对肖特基二极管Ronsp和击穿电压的影响。
• 计算为将10 kV Ga₂O₃肖特基二极管中Ronsp的增加限制在1%以内所需的施主浓度阈值。
• 对比有无该深施主时的器件性能，以隔离不完全电离的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 导致β-Ga₂O₃功率器件性能退化的非故意施主的能级和浓度是多少？
• RQ2 110 meV施主的不完全电离如何影响Ga₂O₃肖特基二极管的比开启电阻(Ronsp)和击穿电压？
• RQ3 在10 kV Ga₂O₃功率器件中，为将Ronsp退化限制在1%以内，所需的施主浓度阈值是多少？
• RQ4 110 meV施主的存在在多大程度上加剧了Ronsp与击穿电压之间的权衡？

主要发现

• 通过温度依赖的霍尔效应测量，在商业可用的β-Ga₂O₃衬底中识别出一个活化能为110 meV的非故意施主。
• 温度依赖的导纳谱学测量确认该施主能级为131 meV，与霍尔测量结果具有良好一致性，验证了该深能级的存在。
• 测得施主浓度位于中高10¹⁶ cm⁻³量级，显著影响器件性能。
• 110 meV施主的不完全电离导致Ronsp升高且击穿电压降低，超出标准权衡关系，恶化器件效率。
• 对于10 kV工作，必须将施主浓度降低至5×10¹⁴ cm⁻³以下，以将Ronsp的增加限制在1%以内。
• 本研究确立，消除该深施主对实现Ga₂O₃功率器件的高击穿电压和低开启电阻至关重要。