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)日本大阪大學的一組對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)具有獨特的優(yōu)勢。設(shè)備的高載體移動性和低寄生蟲可實現(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單，因為模具的整個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，已經(jīng)進行了許多嘗試，并且正在繼續(xù)進行。缺乏具有成本效益的高增長率，幾乎沒有缺陷和沒有大鞠躬的大直徑底物是一個巨大的障礙。大直徑和厚的gan甘特需要實現(xiàn)低成本的gan底物。高壓溶液生長(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和多點種子(MPS)HVPE GAN底物
這項研究中的作者使用了基于NA頻率的方法，其中藍寶石底物是起點。藍寶石在藍寶石上選擇性地生長了5 μm厚的C平面GAN晶體的許多點，形成MPS底物，即種子。使用金屬有機蒸氣相(Movpe)從單個點種子中融合以獲得單個晶體，使用金屬有機蒸氣相(MOVPE)生長六邊形錐體晶體。涂層涂層(FFC)技術(shù)用于促進橫向生長，并通過將基板從熔體上拉出并使用晶體之間的殘留熔體來融合GAN晶體。中等生長條件(<50 atm和1000°C)可以使用更簡單的設(shè)備。
冷卻后，gan晶體從藍寶石分離出來，在反磨和化學機械拋光后大于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)化的生長條件將總TDD水平降低到10 3至10 4 /cm 2的階，在三個GAN六角形晶體的交點形成的空隙區(qū)域中的分布較高。繼續(xù)進行優(yōu)化的工作正在進行中。通過X射線搖動曲線(XRC)測量晶格曲率，并顯示出最大的離軸變化小于+/- 0.009°。
Na-Flux晶體的生長速率約為20 μm/hr。盡管這種方法可以生長出低TDD和曲率的大gan晶體，但它的生長太慢。因此，N-頻率用作隨后的HVPE GAN生長的種子晶體。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。這會導致最終設(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英寸晶片中進行的。
VGAN設(shè)備和結(jié)果
正在嘗試使用許多不同的方法來創(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槽的角度通過降低2維濃度來控制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)改進設(shè)備BV。在這項當前的研究中，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處進行Si摻雜，p-gan在3 x 10 19 /cm 3 mg摻雜時厚度為0.3μm，而N-GAN漂移在摻雜時為7 μm 1.3 x 10 16 /cm 3的水平。該設(shè)備包括一個寄生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行了比較。圖4顯示了靜脈特征。在這里，藍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時的標準<1μA泄漏和BV> 800 V的標準為72%，而商業(yè)晶圓的產(chǎn)量僅為33%。該產(chǎn)量可能與可能在設(shè)備處理過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PN二極管的反向IV特性
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