Wafers homoepitaxiais GaN verticais para dispositivos de energia

Semicondutores de banda larga, exemplificados pelo nitreto de gálio (GaN), tornaram-se o material central para sistemas eletrônicos de potência de próxima geração devido ao seu alto campo elétrico de ruptura, alta velocidade de saturação de elétrons e condutividade térmica favorável. No domínio dos dispositivos de potência, as arquiteturas verticais oferecem vantagens distintas em relação aos dispositivos laterais convencionais (como transistores de alta mobilidade eletrônica): a corrente flui ao longo da direção de crescimento epitaxial, permitindo um aumento linear na tensão de ruptura simplesmente engrossando a camada de deriva sem aumentar a área do chip. Além disso, o pico de campo elétrico interno é mantido longe da superfície do dispositivo, suprimindo o colapso da corrente e potencialmente permitindo a capacidade de avalanche, aumentando assim enormemente a confiabilidade.

Entre vários dispositivos verticais de energia GaN (por exemplo, transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico de trincheira ou MOSFETs de trincheira), a base epitaxial é uma pilha de homojunções npn. A qualidade do material, as características da interface e a compatibilidade do processo desta pilha determinam diretamente o desempenho e o rendimento final do dispositivo. Portanto, uma compreensão profunda dos fenômenos físicos de superfície e interface e dos mecanismos de defeitos induzidos pelo processo envolvidos na fabricação e processamento de estruturas GaN npn é crítica para o avanço dos dispositivos de energia verticais.

1. Vantagens da homeepitaxia vertical de GaN e fornecimento de material fundamental

Ao contrário da heteroepitaxia em silício, safira ou carboneto de silício, a homoepitaxia GaN elimina completamente a rede e as incompatibilidades térmicas, reduzindo a densidade de deslocamento de 10⁸–10¹⁰ cm⁻² (em heteroepitaxia) até 10⁴–10⁶ cm⁻². Baixa densidade de defeitos significa menos caminhos de vazamento, menores concentrações de armadilhas de portadores e maior tensão de ruptura – um pré-requisito para a fabricação de dispositivos de energia verticais de alto desempenho.

Para atender aos principais requisitos de material para dispositivos de energia verticais (como MOSFETs, CAVETs, etc.), a PAM-XIAMEN fornece wafers homoepitaxiais GaN de alta qualidade com as seguintes estruturas típicas:

Camada epitaxial	Material	Espessura	doping
Camada superior	n-GaN	-	-
camada de deriva	p-GaN	0.8–1 µm	MG:*
Camada de canal	n-GaN	-	-
Substrato	n-GaN	-	-

2. Estados de superfície e fixação de nível Fermi em estruturas verticais GaN npn

Quando uma estrutura npn é clivada ou gravada para formar mesas e trincheiras, a superfície não polar exposta (plano m, ou seja, (10-10)) de GaN desenvolve estados de superfície complexos, levando à fixação no nível de Fermi. Este fenômeno afeta diretamente o comportamento de vazamento nas paredes laterais e a estabilidade da interface do portão. Freter et al. (2020) investigaram sistematicamente estruturas GaN npn clivadas e expostas ao ar usando microscopia/espectroscopia de tunelamento de varredura (STM/STS), revelando as origens físicas da fixação de superfície em diferentes regiões dopadas.

2.1 Mecanismo de fixação em superfícies limpas e clivadas

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.

Em superfícies GaN (10-10) tipo p, a situação é totalmente diferente. Os estados de ligação pendente do nitrogênio intrínseco (N) ficam próximos ao máximo da banda de valência e não podem fixar efetivamente o nível de Fermi. Experimentos mostram um bandgap aparente muito pequeno e uma corrente de tunelamento originada de estados de defeito midgap, indicando que a fixação surge de estados de defeito extrínsecos. As imagens STM revelam uma alta densidade de etapas de clivagem e dobras na superfície da camada tipo p. Essas arestas escalonadas (especialmente facetas ao longo da direção do eixo c) introduzem estados localizados meio preenchidos no midgap, tornando-se os centros de fixação dominantes no nível de Fermi para a superfície GaN tipo p. Em contraste, nas camadas do tipo n, a densidade intrínseca do estado de superfície é muito maior do que a densidade do estado de degrau, portanto os efeitos de degrau não são significativos.

Fig. 1 Espectros típicos de tunelamento de corrente-tensão (I-V) (escala logarítmica) em superfícies GaN(10-10) tipo n e tipo p clivadas limpas, juntamente com uma imagem topográfica da superfície tipo p

2.2 Efeito de passivação induzido pela exposição ao ar

Depois de expor a superfície clivada ao ar (especialmente moléculas de água) e, em seguida, reintroduzi-la em vácuo ultra-alto com recozimento suave, mudanças claras aparecem nos espectros de tunelamento: a densidade dos estados de fixação na superfície do tipo p diminui e o nível de fixação muda em direção ao máximo da banda de valência; na superfície do tipo n, a tensão de início da corrente da banda de condução cai de cerca de +1V para +0,5V, indicando redução da flexão da banda. Freter et al. atribua isso à adsorção dissociativa de moléculas de água: os grupos OH se ligam aos átomos de Ga e os átomos de H se ligam aos átomos de N. A hidroxilação empurra os estados de ligação pendente de Ga e N em direção ao máximo da banda de valência, passivando parcialmente os estados de defeito intrínseco e escalonado. No entanto, esta passivação é incompleta – a superfície tipo p retém alguns canais de vazamento relacionados ao degrau, e a superfície tipo n não atinge uma condição de banda plana completa. Portanto, confiar na passivação natural pela exposição ao ar é incontrolável no processamento do dispositivo, e são necessários esquemas de deposição dielétrica e passivação projetados.

Fig. 2 Diagramas de bandas esquemáticos para superfície de GaN (10-10) limpa e superfície de GaN (10-10) hidroxilada

3. Desafios no processamento de dispositivos: ativação de p-GaN e “defeitos assassinos”

A fabricação de wafers homoepitaxiais npn de alta qualidade em transistores verticais enfrenta um desafio central de processamento - ativação do aceitador da camada GaN tipo p. Durante a epitaxia MOCVD da camada fonte n⁺, um ambiente de hidrogênio faz com que os aceitadores de Mg formem complexos Mg-H eletricamente neutros (a chamada “passivação de hidrogênio”). Como a camada p é coberta pela camada n⁺ sobrejacente, os átomos de hidrogênio não podem escapar verticalmente. Consequentemente, o recozimento em alta temperatura (normalmente 750°C em ambiente de nitrogênio) é necessário para expulsar o hidrogênio lateralmente através das paredes laterais da mesa, reativando assim os aceitadores de Mg.

Kamiński et al. (2025) fabricaram estruturas de teste npn em uma plataforma de processo MOSFET de trincheira vertical e, usando caracterização elétrica, microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e simulações TCAD, analisaram sistematicamente dois principais impactos negativos deste processo:

3.1 Ativação insuficiente e baixa concentração efetiva de dopagem

Experimentos mostram que a concentração de dopagem química de Mg é 3,3 × 10¹⁸cm⁻³, mas a concentração de aceitador efetivo ativado (N_UMA-N_D) tem apenas cerca de 1,5×10¹⁷cm⁻³ – um rendimento de ativação abaixo de 5%. A baixa concentração de furos degrada a controlabilidade da tensão limite e aumenta a resistência.

Fig. 3 Características de capacitância-tensão (C-V) de uma estrutura de teste npn circular após recozimento de ativação de Mg e o perfil de concentração do aceitador efetivo extraído

3.2 “Defeitos assassinos” induzidos por alta temperatura na estrutura vertical de GaN

Mais gravemente, o processo de recozimento de ativação introduz aleatoriamente defeitos locais dentro do dispositivo. Ao analisar estatisticamente a tensão de ruptura e a corrente de fuga de diodos npn circulares com diferentes diâmetros, Kamiński et al. descobriram que após o recozimento, o rendimento da tensão de ruptura de dispositivos de grandes áreas cai drasticamente. O ajuste da densidade de defeitos com um modelo de distribuição de Poisson confirma um aumento significativo na densidade de área de “defeitos matadores” após o recozimento. Sob polarização reversa, esses defeitos formam caminhos de vazamento de baixa barreira, fazendo com que a corrente no estado desligado aumente (até mesmo no nível de miliamperes) e levando à falha prematura do dispositivo. Esses defeitos são prováveis aglomerados de defeitos formados pela migração e agregação de defeitos pontuais em altas temperaturas; seu campo elétrico local reduz a barreira, induzindo vazamentos perfurantes. Notavelmente, o uso de substratos GaN amonotérmicos de baixa densidade de deslocamento suprime significativamente a formação de tais defeitos, destacando ainda mais a importância da homoepitaxia de alta qualidade.

Fig. 4 Ajuste do modelo de distribuição de Poisson da densidade de área de “defeitos assassinos” em estruturas verticais de GaN npn antes e depois do recozimento

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Referências:

Freter, L., Wang, Y., Schnedler, M., Carlin, JF, Butté, R., Grandjean, N.,… & Ebert, P. (2020). Interação de estados intrínsecos e extrínsecos na fixação e passivação de facetas do plano m de junções GaN npn. Jornal de física aplicada, 128(18).
Kamiński, M., Abendroth, K., Gołębiowska, A., Szczepański, A., Urbanowski, K., Brzozowski, E.,… & Taube, A. (2025). Sobre a origem da corrente de fuga fora do estado em estruturas verticais npn para MOSFETs de trincheira baseados em GaN. Dispositivos e componentes eletrônicos de potência, 11, 100086.