功率器件GaN衬底的优化

功率器件GaN衬底的优化

采用氢化物气相外延（HVPE）方法在热氨籽晶上生长具有低电阻率、低缺陷密度的非极性GaN衬底材料。

一个日本团队宣布已经制作出了一种具有最佳性能的衬底，可用于制作垂直结构的GaN功率器件。作为论文通讯作者的日本Tohuku大学Kazunobu Kojima向Compound Semiconductor杂志介绍了他们的工作，他们采用独立式（free-standing）氢化物气相外延（HVPE）方法来生长GaN衬底，具有制作器件所需的高晶体质量和优良的电学性能，可在两个重要应用领域具有突出的表现。

在这种衬底上制作垂直GaN器件的性能将优于传统的横向GaN器件。传统横向GaN器件性能会受到以下因素的影响：大的芯片尺寸带来的成本增加、电流崩塌（在开关转换时漏极电流发生锐减）效应等问题的制约。

通过氧掺杂实现了低的电阻率，并采用了非极性m面取向，使得这种衬底拥有良好的电学性能，可以满足制作垂直GaN器件的要求。

“因为m面没有压电效应和自发极化问题，异质结界面应当没有载流子”，Kojima解释道。利用掺杂来控制二维电子气的浓度，就可以制作常关态晶体管，而这种常关态器件比那些常开态的晶体管在应用中更受欢迎。

这种可以满足器件制作晶体质量要求的GaN衬底是由Tohuku 大学、三菱化学公司 和Tsukuba大学共同研发，该衬底材料的螺旋位错密度低于10⁴ cm^-2

为了确保良好的器件质量，衬底材料的螺旋位错密度需要控制在这一水平上。这是因为这种类型的缺陷可以螺旋侵入到外延层，使得位错会贯穿整个器件，作为一种导电通路，使它成为器件在高电压下产生电流崩塌的主要原因。

Kojioma和他的同事们在一个具有GaN籽晶、几乎无弯曲的晶圆块体上利用氢化物气相外延（HVPE）生长GaN薄膜来制作这种衬底。晶圆上的籽晶层是在超临界氨气气氛中用酸性矿化剂进行氨热生长制得的。

在GaN薄膜生长完成后将其从籽晶层上剥离，并进行X射线衍射分析，发现沿着c轴和a轴上分别有18弧秒和25弧秒的衍射峰。这些衍射峰值已接近于这套分析系统的极限分辨率，因此不能使用这种方法来估计由螺位错或刃位错分量所组成螺旋位错的密度。

为了测得这种螺旋位错的密度，研发团队改为采用一种空间分辨阴极荧光谱的测量方法，估算得出了它的螺旋位错密度为10⁴ cm^-2 ，以及在基面上的堆垛缺陷密度小于1 cm^-2  。

在氢化物气相外延生长薄膜的过程中，所控制的氧掺杂浓度为4×10¹⁸ cm^-3 ，之后用范德堡方法来评估生长薄膜的电学性质。结果表明在温度低于70K时，材料的迁移率达到 85  cm²V^-1s^-1 。而在更高的温度下，迁移率会随温度升高而增加，在室温时可达到300 cm²V^-1s^-1 。

研究人员指出，在较低螺旋位错密度时，迁移率还会受到杂质散射的影响。基于这一发现并考虑到掺杂剂的能量，他们判定费米能级已经进入了导带。

在300 K下使用3.5 keV的低强度电子束来获得近能带边缘的阴极荧光谱，发现在3.382 eV处有一个谱峰。与无应变GaN块体材料的自由激发峰能量相比，这个谱峰值要比其小30 meV，这说明他们所使用的样品受到了由施主引起的能带尾部的影响。

近能带边缘的阴极荧光的内量子效率为1.4%，这个数值与该团队其它成员所报道的c面高质量独立式（free-standing）GaN样品的2.3%内量子效率数值相接近。

室温下的时间分辨光致荧光谱发现其快速分量的寿命（fast component lifetime）达到了创纪录的2.07 ns，这表明材料中具有浓度较低的非辐射复合中心，而正电子湮灭谱表明在n型GaN中具有较低的镓空位浓度。

具有高晶体质量的低电阻率GaN衬底可以促进垂直型功率器件的生产，可以提升电力供应的效率。

K. Kojima et. al. Appl. Phys. Express 8 095501 (2015)