氮化鎵技術研究新進展，如何作為“電力電子應用中敏感探針”使用？

美國康奈爾大學，IQE RF LLC和Qorvo公司一直在研究如何更好地將埋入式p型GaN層活化[Wenshen Li et al, Appl. Phys. Lett., vol113, p062105, p2018]。在大多數(shù)GaN / III-N生長過程中，p型層由于難以活化而留在最后，這通常涉及到通過加熱樣品以試圖驅除樣品內部的氫，從而鈍化用于產生移動空穴載流子的鎂的摻雜。

這種p-GaN-last約束限制的結構可以用于電力電子和其他應用的研究。埋入式結構器件有包括異質結雙極晶體管（HBT），溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），電流孔徑垂直電子晶體管（CAVET）和橫向擴散MOSFET （LDMOSFET）。

如圖1，金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在塊狀GaN上產生外延層。頂部p-GaN層在原位發(fā)生活化。研究人員說，接觸電阻（~4x10-5Ω-cm2）和霍爾測量（空穴密度~7％鎂濃度，遷移率為24cm2/Vs）會使這種具有頂部p-GaN層的材料的性能最優(yōu)。

圖1：（a）原生長的原位活化p-n二極管結構和兩個再生長層的示意層結構。（b）MOCVD和MBE對照樣品上兩個再生長層的信息表。（c）三種類型的圓形二極管的示意性橫截面：在兩個樣品上合成的p-n，i/p-n和n+/ i /p-n二極管。（d）具有條紋幾何形狀的n+/ i /p-n二極管的示意性橫截面。 條紋長度50微米。

然后通過毯式MOCVD或未摻雜GaN的分子束外延（MBE）再生長來掩埋p型GaN。對于MOCVD樣品，將p型GaN在反應室中在900℃的氨氣氛圍中退火鈍化30分鐘，并將其用紫外 - 臭氧和氫氟酸進行處理，降低MOCVD樣品中硅的殘留。 對于MBE樣品，掩埋的p型GaN是未鈍化的。 通過MBE在兩個樣品上選擇性地生長，最終確定n+型GaN層。

該材料所產生的這種埋入式p-GaN結構，用于各種疊層的鈀（Pd），鈦（Ti）和金（Au）的觸點進行電測試。 利用干刻蝕法來去除未摻雜的GaN中再生頂層并用于臺面隔離。并且將p型GaN在干燥空氣氛圍中在725℃下退火30分鐘來進行活化，利用臺面?zhèn)缺趤砣コ齼炔康臍洹Ｍ嘶鸷?，材料的金屬觸點被施加上。

我們發(fā)現(xiàn)，在埋入式p型GaN在沒有被活化的情況下，未金屬化的MOCVD-樣品結構在反向偏壓下顯示出高漏電流，而經過火化后，可以抑制電流的高漏。

由圖2可以得知，對于退火后的圓形p-n和i / p-n二極管，其反向偏壓擊穿是在1100-1200V范圍內的這與直徑無關。同時我們觀察到擊穿損壞作為臺面邊緣處的燃燒區(qū)域，對于沒有場板或其他邊緣終端結構的裝置而言是典型的問題。研究人員估計，p型GaN層中鎂受體的活化超過28％，這是根據(jù)穿通時的場分布計算得出的。

圖2：反向和正向電流密度與二極管的電壓特性。（a）MOCVD上圓形二極管的反向偏壓特性；（b）MBE控制樣品上的反向偏壓特性；（c）在MOCVD樣品上具有條紋形狀時的n+/i/p-n二極管的反向偏壓特性;（d）MOCVD樣品上各種二極管的正向偏壓特性。

由圖可以看出，n+/i/p-n二極管具有更高的電度，并且在300V時發(fā)生與電流相關的軟擊穿。 MBE樣品裝置具有低得多的電流密度，這歸因于再生層中的氫去除。

n+/i/p-n二極管中的高電流密度歸因于n+ 型GaN層阻擋住氫從掩埋的p型GaN層中擴散。 對于i / p-n器件，鎂擴散到未摻雜（UID）GaN帽中將其轉換為p-GaN層，并允許氫在活化期間向上擴散。 但即使使用直徑為20μm的圓形器件，氫氣通過臺面?zhèn)缺诘臄U散也不足以進行有效的p-GaN活化。

寬度在10μm和5μm之間的窄條紋器件降低了漏電流，并使擊穿值達到與圓形p-n和i / p-n二極管相當?shù)某潭取?研究人員說：“這些數(shù)據(jù)表明，在這項工作中，在退火條件下，埋入的p型GaN能夠充分活化，因此橫向氫擴散長度>5μm（條紋寬度的一半）。而活化則是由于氫從蝕刻的臺面?zhèn)缺谝约皸l紋之間暴露的UID-GaN表面的橫向擴散造成的。

p-n和i / p-n圓形器件的正向偏置特性相似 - 由于與p型GaN的歐姆接觸不良，導通電壓相當高，導通電流低。

n+ / i / p-n器件是背對背二極管，因此在“正向”偏壓區(qū)域不具備高電流。 圓形n+ / i / p-n二極管的高電流密度表現(xiàn)出高泄漏電壓并因此表現(xiàn)出較差的p-GaN活化狀態(tài)。而條紋器件中則與之相反，泄露電壓被抑制。

研究人員將10-20μm作為通過退火有效活化掩埋p-GaN的臨界橫向尺寸范圍。 該范圍允許氫從p-GaN表面逸出，擴散長度為5-10μm。

同時研究人員表示“反向擊穿測量是對埋入式p型GaN的受主活化比光發(fā)射更嚴格的測試。 埋入的p型GaN的任何不充分活化都會導致由于過早擊穿而導致的電流的急劇增加。

該團隊還建議在表面附近活化鎂會產生吸引氫離子（主要是質子）的電場，從而增強向外擴散。 然而，當需要氫擴散的橫向尺寸增加時，濃度梯度和電場的影響減小。