新突破！垂直GaN二极管产业化加速？
新突破！垂直GaN二极管产业化加速？
10月12日，《Applied Physics Letters》刊登了日本名古屋大学的一篇论文，文章提到，他们采用一种新的外延生长方法，成功制造了垂直氮化镓p + n结二极管，其击穿电压接近理想值，而且生长速度提高了15倍。
该研究获得了日本文部科学省电力电子创新核心技术创造计划的支持。
3大难题：
太慢、杂质、p-GaN
根据《2021第三代半导体调研白皮书》，目前主流的氮化镓功率器件以横向HEMT器件为主，但GaN HEMT很难在高电压下可靠工作，因为其电流崩塌现象会严重影响器件的性能、长期稳定性和可靠性。
垂直与横向结构对比
为了使氮化镓器件满足650V以上电压需求，氮化镓业界正在努力开发垂直结构器件，不过进展相对缓慢，除了缺乏自支撑氮化镓衬底外，其外延生长也面临许多挑战。
垂直与横向氮化镓器件电压对比
首先，金属有机气相外延 (MOVPE) 并不适用于制造GaN功率器件。因为要提高垂直氮化镓器件的击穿电压，通常需要生长掺杂浓度小于1016cm-3的厚漂移层。而MOVPE生长的GaN 层含有浓度为1015–1016cm-3的残留碳杂质，而为了降低掺杂浓度，MOVPE生长速率必须低至2-4μm/h，因此不适合采用MOVPE去生长厚GaN漂移层。
其次，传统的卤化物气相外延 (HVPE) 也不适合用于制造GaN功率器件。这种方法会在GaN层中掺入了残留Si和O等杂质，并且难以制造p型氮化镓层，而且HVPE还不能制造垂直GaN PND。
第三，混合HVPE也不适制造垂直GaN PND。目前有人试图通过HVPE和MOVPE分别生长n型和p型 GaN 层，但这种方法也有问题，其再生长界面通常含有高浓度的Si杂质，会严重影响p-n二极管的电性能，比如增强局部电场，导致高泄漏电流和器件过早损坏。
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名古屋方法：
速度提升150%，击穿电压达到理想值
名古屋大学认为，制造垂直GaN二极管最理想的方式还是HVPE，因为其生长速率高于100μm/h，非常适用于生长低掺杂浓度的厚GaN漂移层，而且在p-n界面不会有Si污染，还可以连续生长p型GaN层。
最近，名古屋大学就建立了一种新的p型GaN层的HVPE生长方法，使得制造没有Si污染的垂直GaN PND成为可能。
据测量，该垂直GaN PND的临界电场的击穿电压Nnet 值为2.3 × 1016 cm-3，在NPT条件下，实现了GaN p+-n结的理想击穿值。
同时，该垂直GaN PND的最小理想因子n约为1.6，与MOVPE生长器件相似，低于HVPE、MOVPE混合生长的器件。名古屋大学表示，获得这个n值是因为连续HVPE生长可以抑制p+-n界面处的Si杂质。
名古屋大学是如何做到的？
第一步，该器件采用了n型GaN自支撑衬底，其穿透位错密度为1.7×106cm-2，载流子浓度为1.5×1018cm-3。
第二步，在n+型GaN自支撑衬底上生长大约200nm厚的n+型GaN层。
第三步，生长15μm厚的n型GaN漂移层，Si杂质为3×1016cm-3。n型GaN漂移层的生长速率设置为30μm/h。Ga前驱体使用了GaCl，N前驱体采用NH3，Si掺杂使用SiCl4 。
第四步，生长了大约300 nm厚的Mg 掺杂GaN层，Mg浓度为2×1019cm-3。为了将生长速率设置为大约3μm/h，要将Ga熔体中的输入HCl气体的流速降低到4 sccm。
第五步，连续生长大约20 nm厚的重Mg掺杂接触层，Mg掺杂源采用了MgO。在整个HVPE 生长过程中，生长温度和压力分别保持在1050 °C 和1 atm。
第六步，制作电极。先蚀刻形成垂直深台面结构，蚀刻深度为10 μm，台面直径为340μm。为了激活Mg受体，原型在氮气环境中在 700 °C下退火5分钟。
阳极采用Ni/Au在p+型接触层上进行合金化，阴极采用铝在自支撑n+型GaN衬底背面形成，侧壁采用涂覆3μm厚的聚酰亚胺进行钝化。
不过，名古屋大学也坦言，尽管他们采用HVPE生长的垂直 GaN PND 具有理想的雪崩能力，但是反向漏电流高于由MOVPE生长的类似器件，需要进一步研究反向泄漏的起源，以及抑制方法。
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