Lodrette GaN Homoepitaxial Wafers til Power Devices
Halvledere med bred båndgab, eksemplificeret ved galliumnitrid (GaN), er blevet kernematerialet til næste generations kraftelektroniske systemer på grund af deres høje elektriske nedbrydningsfelt, høje elektronmætningshastighed og gunstige termiske ledningsevne. Inden for kraftenheder tilbyder vertikale arkitekturer tydelige fordele i forhold til konventionelle laterale enheder (såsom transistorer med høj elektronmobilitet): strømmen flyder langs den epitaksiale vækstretning, hvilket muliggør en lineær stigning i gennembrudsspændingen ved blot at fortykke driftlaget uden at forstørre chiparealet. Derudover holdes det indre spidselektriske felt væk fra enhedens overflade, hvilket undertrykker strømkollaps og muliggør potentielt lavinekapacitet, hvilket i høj grad forbedrer pålideligheden.
Blandt forskellige vertikale GaN-effektenheder (f.eks. trench metal-oxid-halvleder felteffekt transistorer eller trench MOSFET'er) er det epitaksiale fundament en npn homojunction stak. Materialekvaliteten, grænsefladeegenskaberne og proceskompatibiliteten af denne stak bestemmer direkte enhedens endelige ydeevne og udbytte. Derfor er en dyb forståelse af overflade- og grænsefladefysiske fænomener og procesinducerede defektmekanismer involveret i fremstillingen og behandlingen af GaN npn-strukturer afgørende for at fremme vertikale strømenheder.
1. Fordele ved Vertical GaN Homoepitaxy og Fundamental Material Supply
I modsætning til heteroepitaxy på silicium, safir eller siliciumcarbid eliminerer GaN-homoepitaxy fuldstændigt gitter- og termiske uoverensstemmelser, hvilket reducerer dislokationstætheden fra 10⁸–10¹⁰ cm⁻² (i heteroepitaxy) ned til 10⁴ cm⁴⁻². Lav defekttæthed betyder færre lækageveje, lavere bærerfældekoncentrationer og højere gennembrudsspænding - en forudsætning for fremstilling af højtydende vertikale strømenheder.
For at opfylde kernematerialekravene til vertikale strømenheder (såsom MOSFET'er, CAVET'er osv.), leverer PAM-XIAMEN GaN-homoepitaksiale wafere af høj kvalitet med følgende typiske strukturer:
| Epitaksialt lag | Materiale | Tykkelse | Doping |
| Øverste lag | n-gan | - | - |
| Driftslag | p-GaN | 0.8–1 µm | Mg: * |
| Kanallag | n-gan | - | - |
| substrat | n-gan | - | - |
2. Overfladetilstande og pinning på fermi-niveau i vertikale GaN npn-strukturer
Når en npn-struktur spaltes eller ætses for at danne mesas og skyttegrave, udvikler den eksponerede ikke-polære (m-plan, dvs. (10-10)) overflade af GaN komplekse overfladetilstande, hvilket fører til Fermi-niveau fastgørelse. Dette fænomen påvirker direkte sidevægslækageadfærd og portgrænsefladestabilitet. Freter et al. (2020) systematisk undersøgt rent-spaltede og lufteksponerede GaN npn-strukturer ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi/spektroskopi (STM/STS), hvilket afslørede den fysiske oprindelse af overfladenålning på forskellige doterede områder.
2.1 Fastgørelsesmekanisme på rene kløvede overflader
On n-type GaN(10-10) surfaces, the Fermi level is primarily pinned by intrinsic surface states – specifically, gallium (Ga)-derived dangling bonds. The minimum of the dispersion relation for these surface states lies approximately 1 eV below the conduction band minimum, resulting in upward surface band bending. In tunneling spectra, this manifests as an apparent bandgap smaller than the true bandgap and a positive shift of the conduction-band current onset voltage.
På p-type GaN(10-10) overflader er situationen helt anderledes. Intrinsic nitrogen (N) dinglende bindingstilstande ligger tæt på valensbåndets maksimum og kan ikke effektivt fastgøre Fermi-niveauet. Eksperimenter viser et meget lille tilsyneladende båndgab og tunnelstrøm, der stammer fra midgap-defekttilstande, hvilket indikerer, at pinning opstår fra ekstrinsiske defekttilstande. STM-billeder afslører en høj tæthed af spaltningstrin og knæk på p-type lagoverfladen. Disse trinkanter (især facetter langs c-akse-retningen) introducerer halvfyldte lokaliserede tilstande i mellemrummet og bliver de dominerende Fermi-niveau pinning centre for p-type GaN overfladen. I modsætning hertil, på n-type lag, er den iboende overfladetilstandsdensitet meget højere end trintilstandsdensiteten, så trineffekter er ikke signifikante.
Fig. 1 Typiske strøm-spændings (I-V) tunnelspektre (logaritmisk skala) på rene kløvede n-type og p-type GaN(10-10) overflader sammen med et topografisk billede af p-type overfladen
2.2 Passivationseffekt induceret af lufteksponering
Efter at have eksponeret den spaltede overflade for luft (især vandmolekyler), derefter genindført den i ultrahøjt vakuum med mild udglødning, opstår der klare ændringer i tunnelspektrene: tætheden af pinning-tilstande på p-type-overfladen falder, og pinning-niveauet skifter mod valensbåndets maksimum; på overfladen af n-type falder ledningsbåndets strømstartspænding fra ca. +1V til +0,5V, hvilket indikerer reduceret båndbøjning. Freter et al. tilskriver dette dissociativ adsorption af vandmolekyler: OH-grupper binder til Ga-atomer, og H-atomer binder til N-atomer. Hydroxylering skubber Ga og N dinglende bindingstilstande mod valensbåndets maksimum, hvilket delvist passiviserer både iboende og trindefekte tilstande. Denne passivering er dog ufuldstændig – overfladen af p-typen bevarer nogle trinrelaterede lækagekanaler, og overfladen af n-typen opnår ikke en fuldstændig fladbåndstilstand. Derfor er afhængighed af naturlig passivering ved lufteksponering ukontrollerbar i enhedsbehandling, og konstruerede dielektriske deponerings- og passiveringsskemaer er nødvendige.
Fig. 2 Skematiske bånddiagrammer for ren GaN(10-10) overflade og hydroxyleret GaN(10-10) overflade
3. Udfordringer i enhedsbehandling: p-GaN-aktivering og "dræberdefekter"
Fremstilling af npn-homoepitaksiale wafere af høj kvalitet til vertikale transistorer står over for en kernebehandlingsudfordring - acceptoraktivering af p-type GaN-laget. Under MOCVD-epitaksi af n⁺-kildelaget får en brintomgivelse Mg-acceptorer til at danne elektrisk neutrale Mg‑H-komplekser (såkaldt "hydrogenpassivering"). Fordi p-laget er dækket af det overliggende n-lag, kan hydrogenatomer ikke undslippe lodret. Som følge heraf kræves højtemperaturudglødning (typisk 750°C i nitrogenomgivelser) for at drive brint ud lateralt gennem mesa-sidevæggene og derved reaktivere Mg-acceptorerne.
Kaminski et al. (2025) fremstillede npn-teststrukturer på en MOSFET-procesplatform med lodret udgravning og analyserede systematisk to store negative virkninger af denne proces ved hjælp af elektrisk karakterisering, atomic force microscopy (AFM), scanning elektronmikroskopi (SEM) og TCAD-simuleringer:
3.1 Utilstrækkelig aktivering og lav effektiv dopingkoncentration
Eksperimenter viser, at Mg kemisk dopingkoncentration er 3,3×10¹⁸cm⁻³, men den aktiverede effektive acceptorkoncentration (NEN-ND1,5×10¹⁷cm⁻³ – et aktiveringsudbytte under 5%. Lav hulkoncentration forringer tærskelspændingskontrollerbarheden og øger on-modstanden.
Fig. 3 Kapacitans-spænding (C‑V) karakteristika for en cirkulær npn teststruktur efter Mg aktiveringsudglødning og den ekstraherede effektive acceptorkoncentrationsprofil
3.2 Højtemperaturinducerede "dræberdefekter" i lodret GaN-struktur
Mere alvorligt introducerer aktiveringsglødningsprocessen tilfældigt lokale defekter inde i enheden. Ved statistisk at analysere nedbrydningsspænding og lækstrøm af cirkulære npn dioder med forskellige diametre, Kamiński et al. fandt ud af, at efter udglødning falder gennembrudsspændingsudbyttet for store enheder kraftigt. Tilpasning af defekttæthed med en Poisson-fordelingsmodel bekræfter en signifikant stigning i arealtætheden af "dræberdefekter" efter udglødning. Under omvendt bias danner disse defekter lækageveje med lav barriere, hvilket får off-state-strømmen til at stige (selv til milliampere-niveauet) og fører til for tidlig enhedsfejl. Disse defekter er sandsynligvis defektklynger dannet af migration og aggregering af punktdefekter ved høje temperaturer; deres lokale elektriske felt sænker barrieren og inducerer gennemslagslækage. Navnlig undertrykker brugen af ammonotermiske GaN-substrater med lav dislokationsdensitet betydeligt dannelsen af sådanne defekter, hvilket yderligere understreger vigtigheden af homoepitaxi af høj kvalitet.
Fig. 4 Poisson-fordelingsmodel tilpasning af arealtætheden af "dræberdefekter" i vertikale GaN npn-strukturer før og efter udglødning
Uanset om du har brug for GaN epiwafer til forskning eller til industrielle applikationer, så kontakt os venligst e-mail på[email protected] og [email protected].
Referencer:
- Freter, L., Wang, Y., Schnedler, M., Carlin, JF, Butté, R., Grandjean, N., … & Ebert, P. (2020). Samspil mellem iboende og ydre tilstande i pinning og passivering af m-plan facetter af GaN npn junctions. Tidsskrift for anvendt fysik, 128(18).
- Kamiński, M., Abendroth, K., Gołębiowska, A., Szczepański, A., Urbanowski, K., Brzozowski, E., … & Taube, A. (2025). Om oprindelsen af off-state lækstrøm i npn lodrette strukturer for GaN-baserede grøft-MOSFET'er. Power Electronic Devices and Components, 11, 100086.