HVPE 制造垂直 GaN P-n 二极管

一种新的镁掺杂方法通过HVPE 能够连续生长垂直 GaN p-n 二极管

日本名古屋大学（Nagoya University，Japan）的工程师声称已经通过 HVPE 生产了第一个 GaN p-n 二极管，该技术生长快和无碳源。

该团队的发言人 Kazuki Ohnishi 表示，由于从 MOCVD 转向 HVPE，这项工作可以降低垂直 GaN 功率器件的生产成本。 “根据我们的估计，使用 MOCVD 制造 4 亿片 6 英寸外延片将花费 5300 亿美元，但使用 HVPE 可以减少到 760 亿美元。”

目前，会向订购 HVPE 反应器的公司提供定制工具，主要用于研究。然而，如果由于对这种增长技术的更大兴趣而导致需求增加，它可能会推动用于大批量生产的反应堆的发展。

也可以通过 HVPE 生长 n 型区域，然后通过 MOCVD 生长 p 型层来生产 GaN p-n 二极管。然而，这种混合方法的缺点是，它往往会在界面处产生硅杂质——从而导致二极管的电气性能较差。通过采用连续的 HVPE 生长，Ohnishi 和同事避免在 p+-n 界面上形成硅堆积层。

来自名古屋的团队在自立式 HVPE 生长的 GaN 衬底上生产其器件，其穿透位错密度为 1.7 x 10⁶ cm^-2，载流子浓度为 1.5 x 10¹⁸ cm^-3。在此基础上，他们首先通过 HVPE 沉积了一对掺硅 n 型层——最初是一个 200 nm 厚的 n+ 层，然后是一个 15 µm 厚的 n 型层，以 30 µm/小时的速度生长，硅浓度为 3 x 10¹⁶ cm^-3。对于 p 侧，他们添加了 300 nm 厚的 GaN 层，镁掺杂浓度为 2 x 10¹⁹ cm^-3，以及一个 20 nm 厚的 GaN 接触层，其中掺杂了大量镁。

该团队开创了垂直 GaN p-n 二极管的 HVPE 生长的关键，是开发了一种新的镁掺杂方法。早在20世纪70年代，研究人员就已经在使用镁的 HVPE 生长薄膜中实现了 p 掺杂。然而，金属源的高平衡蒸气压阻碍了掺杂水平的控制。

Ohnishi 及其同事通过将镁源切换为 MgO 来解决这一弱点，MgO 具有非常低的平衡蒸气压和 2800 °C 的熔点。新工艺包括向加热的 MgO 供应 HCl 气体。反应生成 MgCl₂，这是生长过程的前体。这种方法的一个问题是 MgO 可能会引入氧杂质。然而，根据 Ohnishi 的说法，这似乎不是问题：“幸运的是，即使使用氧化镁，氧浓度也受到抑制。这种机制正在研究中，但我们认为 c 面生长对氧抑制是有效的。”

他和他的同事通过以下方式从外延片形成二极管： 使用反应离子蚀刻来定义 340 µm 直径、10 µm 高的台面；通过将样品在700°C氮气中退火5分钟，激活镁受体；以及分别在p+接触层和基板背面添加Ni/Au阳极和铝阴极。

二次离子质谱显示镁的浓度急剧增加，从 n 型 GaN 漂移层中的 5 x 10¹⁵ cm^-3 增加到 p-n 界面旁边 p 型层中的 1.9 x 10¹⁹ cm^-3。 这表明 HVPE 能够产生陡峭的 p+-n 界面。

该器件的电流-电压图显示理想因数为 1.6，低于由 MOCVD 和 HVPE 组合形成的 p-n 二极管的理想因数，这是由于界面处的硅受到抑制。

Ohnishi 及其同事现在正计划使用 HVPE 制造其他垂直器件，如 MOSFET。 “此外，我们对 HEMT 很感兴趣。”

参考

K. Ohnishi et al. Appl. Phys. Lett 119 152102 (2021)

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