氮化镓技术研究新进展，如何作为“电力电子应用中敏感探针”使用？

美国康奈尔大学，IQE RF LLC和Qorvo公司一直在研究如何更好地将埋入式p型GaN层活化[Wenshen Li et al, Appl. Phys. Lett., vol113, p062105, p2018]。在大多数GaN / III-N生长过程中，p型层由于难以活化而留在最后，这通常涉及到通过加热样品以试图驱除样品内部的氢，从而钝化用于产生移动空穴载流子的镁的掺杂。

这种p-GaN-last约束限制的结构可以用于电力电子和其他应用的研究。埋入式结构器件有包括异质结双极晶体管（HBT），沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），电流孔径垂直电子晶体管（CAVET）和横向扩散MOSFET （LDMOSFET）。

如图1，金属有机化学气相沉积（MOCVD）在块状GaN上产生外延层。顶部p-GaN层在原位发生活化。研究人员说，接触电阻（~4x10-5Ω-cm2）和霍尔测量（空穴密度~7％镁浓度，迁移率为24cm2/Vs）会使这种具有顶部p-GaN层的材料的性能最优。

图1：（a）原生长的原位活化p-n二极管结构和两个再生长层的示意层结构。（b）MOCVD和MBE对照样品上两个再生长层的信息表。（c）三种类型的圆形二极管的示意性横截面：在两个样品上合成的p-n，i/p-n和n+/ i /p-n二极管。（d）具有条纹几何形状的n+/ i /p-n二极管的示意性横截面。 条纹长度50微米。

然后通过毯式MOCVD或未掺杂GaN的分子束外延（MBE）再生长来掩埋p型GaN。对于MOCVD样品，将p型GaN在反应室中在900℃的氨气氛围中退火钝化30分钟，并将其用紫外 - 臭氧和氢氟酸进行处理，降低MOCVD样品中硅的残留。 对于MBE样品，掩埋的p型GaN是未钝化的。 通过MBE在两个样品上选择性地生长，最终确定n+型GaN层。

该材料所产生的这种埋入式p-GaN结构，用于各种叠层的钯（Pd），钛（Ti）和金（Au）的触点进行电测试。 利用干刻蚀法来去除未掺杂的GaN中再生顶层并用于台面隔离。并且将p型GaN在干燥空气氛围中在725℃下退火30分钟来进行活化，利用台面侧壁来去除内部的氢。退火后，材料的金属触点被施加上。

我们发现，在埋入式p型GaN在没有被活化的情况下，未金属化的MOCVD-样品结构在反向偏压下显示出高漏电流，而经过火化后，可以抑制电流的高漏。

由图2可以得知，对于退火后的圆形p-n和i / p-n二极管，其反向偏压击穿是在1100-1200V范围内的这与直径无关。同时我们观察到击穿损坏作为台面边缘处的燃烧区域，对于没有场板或其他边缘终端结构的装置而言是典型的问题。研究人员估计，p型GaN层中镁受体的活化超过28％，这是根据穿通时的场分布计算得出的。

图2：反向和正向电流密度与二极管的电压特性。（a）MOCVD上圆形二极管的反向偏压特性；（b）MBE控制样品上的反向偏压特性；（c）在MOCVD样品上具有条纹形状时的n+/i/p-n二极管的反向偏压特性;（d）MOCVD样品上各种二极管的正向偏压特性。

由图可以看出，n+/i/p-n二极管具有更高的电度，并且在300V时发生与电流相关的软击穿。 MBE样品装置具有低得多的电流密度，这归因于再生层中的氢去除。

n+/i/p-n二极管中的高电流密度归因于n+ 型GaN层阻挡住氢从掩埋的p型GaN层中扩散。 对于i / p-n器件，镁扩散到未掺杂（UID）GaN帽中将其转换为p-GaN层，并允许氢在活化期间向上扩散。 但即使使用直径为20μm的圆形器件，氢气通过台面侧壁的扩散也不足以进行有效的p-GaN活化。

宽度在10μm和5μm之间的窄条纹器件降低了漏电流，并使击穿值达到与圆形p-n和i / p-n二极管相当的程度。 研究人员说：“这些数据表明，在这项工作中，在退火条件下，埋入的p型GaN能够充分活化，因此横向氢扩散长度>5μm（条纹宽度的一半）。而活化则是由于氢从蚀刻的台面侧壁以及条纹之间暴露的UID-GaN表面的横向扩散造成的。

p-n和i / p-n圆形器件的正向偏置特性相似 - 由于与p型GaN的欧姆接触不良，导通电压相当高，导通电流低。

n+ / i / p-n器件是背对背二极管，因此在“正向”偏压区域不具备高电流。 圆形n+ / i / p-n二极管的高电流密度表现出高泄漏电压并因此表现出较差的p-GaN活化状态。而条纹器件中则与之相反，泄露电压被抑制。

研究人员将10-20μm作为通过退火有效活化掩埋p-GaN的临界横向尺寸范围。 该范围允许氢从p-GaN表面逸出，扩散长度为5-10μm。

同时研究人员表示“反向击穿测量是对埋入式p型GaN的受主活化比光发射更严格的测试。 埋入的p型GaN的任何不充分活化都会导致由于过早击穿而导致的电流的急剧增加。

该团队还建议在表面附近活化镁会产生吸引氢离子（主要是质子）的电场，从而增强向外扩散。 然而，当需要氢扩散的横向尺寸增加时，浓度梯度和电场的影响减小。