在GaN中实现注入

用超高压退火激活镁注入产生具有优异性能的垂直GaN结势垒肖特基二极管

直到最近，从事氮化镓工作的工程师工具箱中有一个明显的遗漏：没有离子注入工艺。但由于美国和波兰的一个团队开发了一种涉及镁掺杂剂超高压退火的工艺，这一问题现在已经得到了解决。

Adroit Materials的Dolar Khachariya代表包括北卡罗来纳州立大学和波兰高压物理研究所在内的开创性团队发言，他表示，他们为GaN开发的离子注入和活化技术是成功和可靠的。

“这项技术使我们能够在天然GaN衬底上获得千伏级GaN结势垒肖特基二极管，”Khachariya解释道，并补充说，实现更高的耐压相对简单，因为它只需要增加GaN外延层的厚度，同时保持注入和激活技术。

Khachariya声称，如果用该团队的方法制造GaN基结势垒肖特基（JBS）二极管，它们将超过现有SiC和硅基器件的性能，成本效益显著提高。

尽管氨热GaN（体GaN的最终形式）为研究人员的工作奠定了基础，但Khachariya表示，对于HVPE生长的GaN衬底，同样的结果也是可能的。

为了增加二极管的电流能力，需要更大直径的器件。对于采用氨热法生长的GaN衬底来说，这不是一个问题，因为它们的位错密度在10⁴ cm^-2以下。但Khachariya警告说，对于HVPE生长的GaN，由于位错密度至少高出两个数量级，大面积器件可能无法按预期工作。

该团队的二极管的制造开始于将一个氨热n+GaN衬底装入一个垂直的冷壁RF加热MOCVD反应器中，并沉积5um厚的n型GaN漂移层，净载流子浓度约为1.3 x 10¹⁶ cm^-3。为了实现浓度约为2 x 10¹⁹ cm^-3的注入镁的浅箱形断面，研究人员采用了两步注入工艺，包括7°的倾斜角、75 keV和25 keV的离子能量以及相应的2 x 10¹⁴ cm^-2和4.4 x 10¹³ cm^-2的剂量。随后将样品加热至1300 度在400 MPa下，在氮气下保持30分钟，以防止分解，激活样品中的镁离子。

通过在器件正面添加Ni/Au p型欧姆接触，然后添加Ni/Au-Schottky接触，以及在衬底背面添加Ti/Al/Ni/Au堆叠，形成具有0.1mm×0.1mm器件面积的JBS二极管。为了进行比较，该团队还生产了带和不带边缘终端的肖特基二极管。

JBS二极管和带边缘端的肖特基二极管的电测量结果显示，导通电压分别为0.75V和0.7V，理想因数为1.03，表明肖特基行为接近理想。JBS二极管的导通电阻仅为0.6 mΩ cm²，这是所有基于GaN的JBS器件中最低的值之一。反向偏置测量表明，JBS二极管中的泄漏电流远低于两种形式的肖特基二极管（见图）。据研究小组称，JBS二极管的击穿电压达到了创纪录的915V。

根据Khachariya的说法，下一个目标是开发能够处理1A至100A的更大二极管，以及具有约5kV的更高击穿电压能力的器件，这是通过增加漂移外延层厚度和进一步减少n型掺杂来实现的。

参考文献

D. Khachariya et al. Appl. Phys. Express 15 101004 (2022)

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