文章背景

氮化镓（GaN）因其优异的电子特性，被广泛研究用于高效功率器件应用。垂直结构的功率器件在高品质GaN自支撑衬底上表现出优异的面积效率，被认为是功率转换设备的理想选择。垂直GaN p-n二极管（PND）是一种结构简单的垂直功率器件，2011年报道了其击穿电压（VB）超过1 kV。通过使用场板结构和保护环结构，击穿电压进一步提高，2018年达到了5 kV。然而，由于金属有机气相外延（MOVPE）的固有问题，进一步提高击穿电压的进展停滞。为了改善垂直GaN PND的击穿电压，需要降低n^-− GaN漂移层的掺杂浓度并增加其厚度。MOVPE的实际生长速率较低，不适合生长厚漂移层，且背景碳掺杂浓度随生长速率增加而增加。因此，研究提出了一种混合外延生长技术，结合了无石英氢化物气相外延（QF-HVPE）和MOVPE，以解决这些问题。

文章概述

本文报道了一种通过混合外延生长技术制备的6 kV GaN p-n二极管，并在再生长界面使用CF4等离子体处理以减少Si污染的影响。研究使用QF-HVPE在GaN衬底上生长了厚且高纯度的n^-− GaN漂移层，然后使用MOVPE在n^-− GaN漂移层上生长p-GaN层。在MOVPE生长之前，使用CF4气体进行电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀处理，以减少Si污染的影响。通过CF4处理，器件在再生长界面的有效施主浓度降低，实现了6.23 kV的高击穿电压和良好的二极管特性。研究发现，击穿电压与通过C-V测量确定的p-n结处的有效施主浓度之间存在明显的相关性。理论预测，如果p-n结处的有效施主浓度降低到1×10¹²或更低，击穿电压可以达到8 kV。

图1：混合PND的结构图

该图展示了混合PND的结构，采用了两步台面结构。阳极直径为60 μm。随着反向电压的增加，最大电场的位置从外部的第二台面移动到覆盖较薄p-GaN层的第一台面。这种结构设计有助于实现较温和的击穿，因为击穿发生在电场较不集中的第一台面，且第二台面刻蚀引入的ICP刻蚀损伤影响较小。

图3 反向I-V特性

该图展示了所有样品的反向I-V特性。击穿电压定义为电流密度达到2 mA/cm²时的电压。最高击穿电压达到6.23 kV，远高于之前报道的混合PND和再生长PND的击穿电压。

图4 SIMS分析结果

该图展示了三个样品的SIMS分析结果，显示了p-n结处的Si、C和F峰值。Si污染仍然存在于再生长界面，尽管CF4处理应该足以去除所有Si污染物。Si污染量的差异导致击穿电压的不同。

图6 击穿电压与Si浓度和有效施主浓度Ns的关系

图6(a)展示了击穿电压与Si浓度的关系，图6(b)展示了击穿电压与有效施主浓度Ns的关系。击穿电压随着Si浓度或Ns的增加而迅速下降。理论曲线预测，如果Ns降低到1×10¹²cm⁻²或更低，击穿电压可以达到8 kV。

文章总结

本文通过混合外延生长技术制备了6 kV GaN p-n二极管，并在再生长界面使用CF4等离子体处理以减少Si污染的影响。研究结果表明，CF₄处理有效降低了再生长界面的有效施主浓度，实现了6.23 kV的高击穿电压和良好的二极管特性。理论模型预测，如果p-n结处的有效施主浓度降低到1×10¹²cm⁻²或更低，击穿电压可以达到8 kV。未来的研究可以进一步改进晶圆传输方法和表面处理，如真空密封传输，以减少Si污染。

文章信息

第一作者：Hiroshi Ohta

通讯单位：The Research Center for Micro-Nano Technology, Hosei University, Koganei 184-0003, Japan

文章题目：6 kV GaN p–n diode fabricated by hybrid epitaxial growth with regrowth interface treated by CF₄ plasma

国家第三代半导体技术创新中心（苏州）  译