垂直GAN晶体管技术发展的进步

[导读]氮化镓(GAN)电源设备正在看到在一系列低至中型应用程序中的使用量增加，包括移动设备电源适配器，数据中心电源和电子示波器。通常使用侧向高电子迁移式晶体管(HEMT)。将GAN功率设备的应用范围扩展到更高的电压和功率可能需要使用受青睐的垂直几何形状。在本文中，我们将总结日本大阪大学的一组对GAN基板和垂直设备工艺流以及其物理和电气表征的工作。

氮化炮(GAN)电源设备正在看到在一系列低至中型应用程序中的使用量增加，包括移动设备电源适配器，数据中心电源和电子示波器。通常使用侧向高电子迁移式晶体管(HEMT)。将GAN功率设备的应用范围扩展到更高的电压和功率可能需要使用受青睐的垂直几何形状。在本文中，我们将总结日本大阪大学的一组对GAN基板和垂直设备工艺流以及其物理和电气表征的工作。

垂直GAN设备的优势和挑战

随着设备的电压范围的增加，必须增加越野设备中施加的排水电压的漂移区域必须增加。在横向设备(例如HEMT)中，设备尺寸必须相应增加。与其他技术相比，外侧gan Hemt具有<650 V操作范围的其他技术(例如硅和碳化硅)具有独特的优势。设备的高载体移动性和低寄生虫可实现低损失，高频切换。但是，随着电压和功率范围的增加，SI和SIC设备中的垂直几何形状可以更容易缩放。

电压额定值主要取决于垂直漂移层的厚度。对于垂直方向，电流密度也可能更高。散热下沉和包装可以更简单，因为模具的整个背面通常形成排水接触。电子模式外侧HEMT设备通常表现出低阈值电压(VTH)和其他鲁棒性挑战，例如缺乏雪崩能力和在µS范围内维持短路的能力。这些限制可以限制某些应用中横向gan hemts的使用，垂直配置可以克服这些应用。

在创建可制造的垂直gan(vgan)晶体管时，已经进行了许多尝试，并且正在继续进行。缺乏具有成本效益的高增长率，几乎没有缺陷和没有大鞠躬的大直径底物是一个巨大的障碍。大直径和厚的gan甘特需要实现低成本的gan底物。高压溶液生长(HPSG)已多年用于产生高质量的散装gan晶体，但是极端条件(例如10,000 atm和1500°C)使其无法使用大量直径晶片的大量产生。

流行的氢化物蒸气相外延(HVPE)和氧化物蒸气相外延(OVPE)方法具有较高的生长速率，但可能患有螺纹脱位密度(TDD)的缺陷为10 5-10 6 /cm 2和大型Off-off-off- 2由于晶体平面鞠躬引起的角度变化。 TDD会产生增加的泄漏电流，并产生产量和可靠性故障。弓箭限制了最大可制造的晶圆直径。氨热生长方法已将TDD降至5 x 10 3 /cm 2水平，但在2英寸的晶圆上。

基于Na-Flux和多点种子(MPS)HVPE GAN底物

这项研究中的作者使用了基于NA频率的方法，其中蓝宝石底物是起点。蓝宝石在蓝宝石上选择性地生长了5 µm厚的C平面GAN晶体的许多点，形成MPS底物，即种子。使用金属有机蒸气相(Movpe)从单个点种子中融合以获得单个晶体，使用金属有机蒸气相(MOVPE)生长六边形锥体晶体。涂层涂层(FFC)技术用于促进横向生长，并通过将基板从熔体上拉出并使用晶体之间的残留熔体来融合GAN晶体。中等生长条件(<50 atm和1000°C)可以使用更简单的设备。

冷却后，gan晶体从蓝宝石分离出来，在反磨和化学机械抛光后大于3英寸的平面镜状晶体已经产生了大于3英寸的晶体。多光子激发光致发光(MPPL)用于研究TDS。优化的生长条件将总TDD水平降低到10 3至10 4 /cm 2的阶，在三个GAN六角形晶体的交点形成的空隙区域中的分布较高。继续进行优化的工作正在进行中。通过X射线摇动曲线(XRC)测量晶格曲率，并显示出最大的离轴变化小于+/- 0.009°。

Na-Flux晶体的生长速率约为20 µm/hr。尽管这种方法可以生长出低TDD和曲率的大gan晶体，但它的生长太慢。因此，N-频率用作随后的HVPE GAN生长的种子晶体。该种子层用于最终设备。比较与商业HVPE-GAN底物与Na-Flux HVPE GAN底物的最大离轴变化较小。这会导致最终设备中的载流子密度变化。

这些作者的最新工作将GAN基材的大小扩大到直径为6英寸，厚度为1.3 - 1.7毫米，使用8英寸MPS的启动底物。图1显示了分离后的挖空晶片的自上而下的图片。

图1：使用Na-Flux MPS生长的6英寸GAN晶圆的自上而下图片，FCC方法

但是，下面讨论的VGAN设备是从前面讨论的2英寸晶片中进行的。

VGAN设备和结果

正在尝试使用许多不同的方法来创建VGAN设备。其中包括Sandia National Labs Trench Gate垂直MOSFET， Nexgen Power Systems的JFET架构，Odyssey Semiconductor ，FinFets等的Planar Gate MOSFET 。这项研究。设备横截面如图2所示。

在警告中，源区域由在Algan/Gan界面附近的GAN通道中形成的二维电子气体(2DEG)组成。沟槽的孔将2DEG连接到孔下方的N-GAN区域中形成的排水管。位于孔径上方的Schottky门可调节设备的电流流。

图2：VGAN设备的横截面示意图

在先前的研究中，该VGAN设备的正VTH为2.5V，比电压为1.0MΩxcm 2，高击穿电压(BV)为1.7 kV。 V槽的角度通过降低2维浓度来控制VTH，P-GAN/Algan/Gan的再生成三层改善了通道的迁移率，并使用了通道下的薄碳掺杂绝缘层(在P-上(在P-上) gan层)改进设备BV。在这项当前的研究中，作者首次在基于Na-Flux的GAN底物上创建了该VGAN设备。

将底物在2-3 x 10 18 /cm 3处进行Si掺杂，p-gan在3 x 10 19 /cm 3 mg掺杂时厚度为0.3µm，而N-GAN漂移在掺杂时为7 µm 1.3 x 10 16 /cm 3的水平。该设备包括一个寄生PN二极管，如图2的右侧所示。这用于表征反向偏置泄漏电流。 VGAN设备面积为0.27毫米2，而净二极管面积为0.9 mm 2。

VGAN设备的ON-State IDS-VDS特性如图3所示。vth的最大IDS为3.3 A(表明电流密度为1.2 ka/cm 2)。接近1000 V的BV表示可以实现600 V操作。

图3：VGAN设备的ON和OFF状态IDS-VDS特性

将这种Na-Flux晶圆制成的18个PN二极管的反向泄漏特性与在市售HVPE GAN底物上制造的相同狭窄进行了比较。图4显示了静脉特征。在这里，蓝色和红色曲线分别表示Na-Flux和商业晶圆的良好模具。 Na-Flux晶圆的产量(假设在600 V时的标准<1µA泄漏和BV> 800 V的标准为72%，而商业晶圆的产量仅为33%。该产量可能与可能在设备处理过程中形成的缺陷有关。