氮化炮(GAN)電源設(shè)備正在看到在一系列低至中型應(yīng)用程序中的使用量增加，包括移動(dòng)設(shè)備電源適配器，數(shù)據(jù)中心電源和電子示波器。通常使用側(cè)向高電子遷移式晶體管(HEMT)。將GAN功率設(shè)備的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到更高的電壓和功率可能需要使用受青睞的垂直幾何形狀。在本文中，我們將總結(jié)日本大阪大學(xué)的一組對(duì)GAN基板和垂直設(shè)備工藝流以及其物理和電氣表征的工作。

垂直GAN設(shè)備的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)

隨著設(shè)備的電壓范圍的增加，必須增加越野設(shè)備中施加的排水電壓的漂移區(qū)域必須增加。在橫向設(shè)備(例如HEMT)中，設(shè)備尺寸必須相應(yīng)增加。與其他技術(shù)相比，外側(cè)gan Hemt具有<650 V操作范圍的其他技術(shù)(例如硅和碳化硅)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。設(shè)備的高載體移動(dòng)性和低寄生蟲可實(shí)現(xiàn)低損失，高頻切換。但是，隨著電壓和功率范圍的增加，SI和SIC設(shè)備中的垂直幾何形狀可以更容易縮放。

電壓額定值主要取決于垂直漂移層的厚度。對(duì)于垂直方向，電流密度也可能更高。散熱下沉和包裝可以更簡(jiǎn)單，因?yàn)槟＞叩恼麄€(gè)背面通常形成排水接觸。電子模式外側(cè)HEMT設(shè)備通常表現(xiàn)出低閾值電壓(VTH)和其他魯棒性挑戰(zhàn)，例如缺乏雪崩能力和在μS范圍內(nèi)維持短路的能力。這些限制可以限制某些應(yīng)用中橫向gan hemts的使用，垂直配置可以克服這些應(yīng)用。

在創(chuàng)建可制造的垂直gan(vgan)晶體管時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試，并且正在繼續(xù)進(jìn)行。缺乏具有成本效益的高增長(zhǎng)率，幾乎沒(méi)有缺陷和沒(méi)有大鞠躬的大直徑底物是一個(gè)巨大的障礙。大直徑和厚的gan甘特需要實(shí)現(xiàn)低成本的gan底物。高壓溶液生長(zhǎng)(HPSG)已多年用于產(chǎn)生高質(zhì)量的散裝gan晶體，但是極端條件(例如10,000 atm和1500°C)使其無(wú)法使用大量直徑晶片的大量產(chǎn)生。

流行的氫化物蒸氣相外延(HVPE)和氧化物蒸氣相外延(OVPE)方法具有較高的生長(zhǎng)速率，但可能患有螺紋脫位密度(TDD)的缺陷為10 5-10 6 /cm 2和大型Off-off-off- 2由于晶體平面鞠躬引起的角度變化。 TDD會(huì)產(chǎn)生增加的泄漏電流，并產(chǎn)生產(chǎn)量和可靠性故障。弓箭限制了最大可制造的晶圓直徑。氨熱生長(zhǎng)方法已將TDD降至5 x 10 3 /cm 2水平，但在2英寸的晶圓上。

基于Na-Flux和多點(diǎn)種子(MPS)HVPE GAN底物

這項(xiàng)研究中的作者使用了基于NA頻率的方法，其中藍(lán)寶石底物是起點(diǎn)。藍(lán)寶石在藍(lán)寶石上選擇性地生長(zhǎng)了5 μm厚的C平面GAN晶體的許多點(diǎn)，形成MPS底物，即種子。使用金屬有機(jī)蒸氣相(Movpe)從單個(gè)點(diǎn)種子中融合以獲得單個(gè)晶體，使用金屬有機(jī)蒸氣相(MOVPE)生長(zhǎng)六邊形錐體晶體。涂層涂層(FFC)技術(shù)用于促進(jìn)橫向生長(zhǎng)，并通過(guò)將基板從熔體上拉出并使用晶體之間的殘留熔體來(lái)融合GAN晶體。中等生長(zhǎng)條件(<50 atm和1000°C)可以使用更簡(jiǎn)單的設(shè)備。

冷卻后，gan晶體從藍(lán)寶石分離出來(lái)，在反磨和化學(xué)機(jī)械拋光后大于3英寸的平面鏡狀晶體已經(jīng)產(chǎn)生了大于3英寸的晶體。多光子激發(fā)光致發(fā)光(MPPL)用于研究TDS。優(yōu)化的生長(zhǎng)條件將總TDD水平降低到10 3至10 4 /cm 2的階，在三個(gè)GAN六角形晶體的交點(diǎn)形成的空隙區(qū)域中的分布較高。繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化的工作正在進(jìn)行中。通過(guò)X射線搖動(dòng)曲線(XRC)測(cè)量晶格曲率，并顯示出最大的離軸變化小于+/- 0.009°。

Na-Flux晶體的生長(zhǎng)速率約為20 μm/hr。盡管這種方法可以生長(zhǎng)出低TDD和曲率的大gan晶體，但它的生長(zhǎng)太慢。因此，N-頻率用作隨后的HVPE GAN生長(zhǎng)的種子晶體。該種子層用于最終設(shè)備。比較與商業(yè)HVPE-GAN底物與Na-Flux HVPE GAN底物的最大離軸變化較小。這會(huì)導(dǎo)致最終設(shè)備中的載流子密度變化。

這些作者的最新工作將GAN基材的大小擴(kuò)大到直徑為6英寸，厚度為1.3 - 1.7毫米，使用8英寸MPS的啟動(dòng)底物。圖1顯示了分離后的挖空晶片的自上而下的圖片。

圖1：使用Na-Flux MPS生長(zhǎng)的6英寸GAN晶圓的自上而下圖片，F(xiàn)CC方法

但是，下面討論的VGAN設(shè)備是從前面討論的2英寸晶片中進(jìn)行的。

VGAN設(shè)備和結(jié)果

正在嘗試使用許多不同的方法來(lái)創(chuàng)建VGAN設(shè)備。其中包括Sandia National Labs Trench Gate垂直MOSFET， Nexgen Power Systems的JFET架構(gòu)，Odyssey Semiconductor ，F(xiàn)inFets等的Planar Gate MOSFET 。這項(xiàng)研究。設(shè)備橫截面如圖2所示。

在警告中，源區(qū)域由在Algan/Gan界面附近的GAN通道中形成的二維電子氣體(2DEG)組成。溝槽的孔將2DEG連接到孔下方的N-GAN區(qū)域中形成的排水管。位于孔徑上方的Schottky門可調(diào)節(jié)設(shè)備的電流流。

圖2：VGAN設(shè)備的橫截面示意圖

在先前的研究中，該VGAN設(shè)備的正VTH為2.5V，比電壓為1.0MΩxcm 2，高擊穿電壓(BV)為1.7 kV。 V槽的角度通過(guò)降低2維濃度來(lái)控制VTH，P-GAN/Algan/Gan的再生成三層改善了通道的遷移率，并使用了通道下的薄碳摻雜絕緣層(在P-上(在P-上) gan層)改進(jìn)設(shè)備BV。在這項(xiàng)當(dāng)前的研究中，作者首次在基于Na-Flux的GAN底物上創(chuàng)建了該VGAN設(shè)備。

將底物在2-3 x 10 18 /cm 3處進(jìn)行Si摻雜，p-gan在3 x 10 19 /cm 3 mg摻雜時(shí)厚度為0.3μm，而N-GAN漂移在摻雜時(shí)為7 μm 1.3 x 10 16 /cm 3的水平。該設(shè)備包括一個(gè)寄生PN二極管，如圖2的右側(cè)所示。這用于表征反向偏置泄漏電流。 VGAN設(shè)備面積為0.27毫米2，而凈二極管面積為0.9 mm 2。

VGAN設(shè)備的ON-State IDS-VDS特性如圖3所示。vth的最大IDS為3.3 A(表明電流密度為1.2 ka/cm 2)。接近1000 V的BV表示可以實(shí)現(xiàn)600 V操作。

圖3：VGAN設(shè)備的ON和OFF狀態(tài)IDS-VDS特性

將這種Na-Flux晶圓制成的18個(gè)PN二極管的反向泄漏特性與在市售HVPE GAN底物上制造的相同狹窄進(jìn)行了比較。圖4顯示了靜脈特征。在這里，藍(lán)色和紅色曲線分別表示Na-Flux和商業(yè)晶圓的良好模具。 Na-Flux晶圓的產(chǎn)量(假設(shè)在600 V時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)<1μA泄漏和BV> 800 V的標(biāo)準(zhǔn)為72%，而商業(yè)晶圓的產(chǎn)量?jī)H為33%。該產(chǎn)量可能與可能在設(shè)備處理過(guò)程中形成的缺陷有關(guān)。

圖4：(a)Na-Flux GAN HVPE底物和(b)商業(yè)HVPE GAN底物的18個(gè)PN二極管的反向IV特性