Tấm wafer đồng trục GaN dọc cho thiết bị điện
Chất bán dẫn dải rộng, được minh họa bằng gallium nitride (GaN), đã trở thành vật liệu cốt lõi cho các hệ thống điện tử công suất thế hệ tiếp theo nhờ điện trường đánh thủng cao, tốc độ bão hòa electron cao và độ dẫn nhiệt thuận lợi. Trong lĩnh vực thiết bị điện, cấu trúc thẳng đứng mang lại những lợi thế khác biệt so với các thiết bị bên thông thường (như bóng bán dẫn có độ linh động điện tử cao): dòng điện chạy dọc theo hướng tăng trưởng epiticular, cho phép tăng tuyến tính điện áp đánh thủng bằng cách làm dày lớp trôi mà không cần mở rộng diện tích chip. Ngoài ra, điện trường cực đại bên trong được giữ cách xa bề mặt thiết bị, ngăn chặn sự sụt giảm dòng điện và có khả năng tạo ra khả năng xảy ra tuyết lở, nhờ đó nâng cao đáng kể độ tin cậy.
Trong số các thiết bị nguồn GaN dọc khác nhau (ví dụ: bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại hoặc MOSFET rãnh), nền tảng epiticular là một ngăn xếp đồng nhất npn. Chất lượng vật liệu, đặc điểm giao diện và khả năng tương thích quy trình của ngăn xếp này trực tiếp xác định hiệu suất và năng suất của thiết bị cuối cùng. Do đó, sự hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng vật lý bề mặt và giao diện cũng như các cơ chế khiếm khuyết do quá trình gây ra liên quan đến việc chế tạo và xử lý cấu trúc GaN npn là rất quan trọng để phát triển các thiết bị điện dọc.
1. Ưu điểm của việc cung cấp nguyên liệu cơ bản và đồng nhất GaN dọc
Không giống như Heterepitaxy trên silicon, sapphire hoặc silicon Carbide, GaN homoepitaxy loại bỏ hoàn toàn sự không khớp mạng và nhiệt, giảm mật độ trật khớp từ 10⁸–10¹⁰ cm⁻² (trong Heterepitaxy) xuống 10⁴–10⁶ cm⁻². Mật độ khuyết tật thấp có nghĩa là có ít đường rò rỉ hơn, nồng độ bẫy sóng mang thấp hơn và điện áp đánh thủng cao hơn – điều kiện tiên quyết để chế tạo các thiết bị điện thẳng đứng hiệu suất cao.
Để đáp ứng các yêu cầu vật liệu cốt lõi cho các thiết bị điện dọc (như MOSFET, CAVET, v.v.), PAM-XIAMEN cung cấp các tấm wafer đồng trục GaN chất lượng cao với các cấu trúc điển hình sau:
| Lớp epiticular | Chất liệu | Độ dày | doping |
| Lớp trên cùng | n-GaN | - | - |
| lớp trôi | p-GaN | 0.8–1 µm | Mg: * |
| Lớp kênh | n-GaN | - | - |
| bề mặt | n-GaN | - | - |
2. Các trạng thái bề mặt và việc ghim mức Fermi trong cấu trúc GaN npn dọc
Khi cấu trúc npn bị phân cắt hoặc ăn mòn để tạo thành mesas và rãnh, bề mặt không phân cực (mặt phẳng m, tức là (10-10)) lộ ra của GaN sẽ phát triển các trạng thái bề mặt phức tạp, dẫn đến sự ghim ở cấp độ Fermi. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến hiện tượng rò rỉ thành bên và độ ổn định của giao diện cổng. Freter và cộng sự. (2020) đã nghiên cứu một cách có hệ thống các cấu trúc GaN npn được phân tách sạch và tiếp xúc với không khí bằng kính hiển vi/quang phổ quét đường hầm (STM/STS), cho thấy nguồn gốc vật lý của việc ghim bề mặt trên các vùng pha tạp khác nhau.
2.1 Cơ chế ghim trên bề mặt sạch
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.
Trên các bề mặt GaN(10-10) loại p, tình hình hoàn toàn khác. Các trạng thái liên kết lơ lửng của nitơ nội tại (N) nằm gần mức tối đa của dải hóa trị và không thể xác định mức Fermi một cách hiệu quả. Các thí nghiệm cho thấy một dải cấm biểu kiến rất nhỏ và dòng điện xuyên hầm có nguồn gốc từ các trạng thái khuyết tật giữa khe, cho thấy rằng việc ghim phát sinh từ các trạng thái khuyết tật bên ngoài. Hình ảnh STM cho thấy mật độ cao của các bước phân cắt và đường gấp khúc trên bề mặt lớp loại p. Các cạnh bậc này (đặc biệt là các mặt dọc theo hướng trục c) tạo ra các trạng thái cục bộ được lấp đầy một nửa ở khoảng giữa, trở thành tâm ghim mức Fermi chiếm ưu thế cho bề mặt GaN loại p. Ngược lại, trên các lớp loại n, mật độ trạng thái bề mặt nội tại cao hơn nhiều so với mật độ trạng thái bước, do đó hiệu ứng bước là không đáng kể.
Hình 1 Phổ đường hầm dòng điện-điện áp (I‑V) điển hình (thang logarit) trên các bề mặt GaN(10-10) loại n và loại p được phân tách rõ ràng, cùng với hình ảnh địa hình của bề mặt loại p
2.2 Hiệu ứng thụ động do tiếp xúc với không khí
Sau khi để bề mặt bị cắt tiếp xúc với không khí (đặc biệt là các phân tử nước), sau đó đưa lại vào môi trường chân không siêu cao với quá trình ủ nhẹ, những thay đổi rõ ràng xuất hiện trong quang phổ xuyên hầm: mật độ trạng thái ghim trên bề mặt loại p giảm và mức độ ghim chuyển về phía dải hóa trị tối đa; trên bề mặt loại n, điện áp khởi động dòng điện trong dải dẫn giảm từ khoảng +1V xuống +0,5V, cho thấy độ cong của dải dẫn đã giảm. Freter và cộng sự. gán điều này cho sự hấp phụ phân ly của các phân tử nước: nhóm OH liên kết với nguyên tử Ga và nguyên tử H liên kết với nguyên tử N. Quá trình hydroxyl hóa đẩy các trạng thái liên kết lơ lửng Ga và N về phía cực đại của dải hóa trị, làm thụ động một phần cả trạng thái khiếm khuyết nội tại và bước. Tuy nhiên, quá trình thụ động này chưa hoàn chỉnh – bề mặt loại p giữ lại một số kênh rò rỉ liên quan đến bước và bề mặt loại n không đạt được điều kiện dải phẳng hoàn chỉnh. Do đó, việc dựa vào sự thụ động tự nhiên do tiếp xúc với không khí là không thể kiểm soát được trong quá trình xử lý thiết bị, và các sơ đồ thụ động và lắng đọng điện môi được thiết kế là cần thiết.
Hình 2 Sơ đồ dải cho bề mặt GaN(10-10) sạch và bề mặt GaN(10-10) được hydroxyl hóa
3. Những thách thức trong quá trình xử lý thiết bị: Kích hoạt p-GaN và “Khiếm khuyết sát thủ”
Việc chế tạo các tấm bán dẫn đồng trục npn chất lượng cao thành các bóng bán dẫn thẳng đứng phải đối mặt với một thách thức xử lý cốt lõi – kích hoạt bộ nhận của lớp GaN loại p. Trong quá trình epitaxy MOCVD của lớp nguồn n⁺, môi trường hydro làm cho chất nhận Mg tạo thành phức hợp Mg‑H trung hòa về điện (còn gọi là “sự thụ động hydro”). Vì lớp p bị che phủ bởi lớp n⁺ phía trên nên các nguyên tử hydro không thể thoát ra theo phương thẳng đứng. Do đó, cần phải ủ ở nhiệt độ cao (thường là 750°C trong môi trường nitơ) để đẩy hydro ra ngoài qua các thành bên của mesa, từ đó kích hoạt lại các chất nhận Mg.
Kamiński và cộng sự. (2025) đã chế tạo các cấu trúc thử nghiệm npn trên nền tảng xử lý MOSFET rãnh thẳng đứng và sử dụng đặc tính điện, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và mô phỏng TCAD, đã phân tích một cách có hệ thống hai tác động tiêu cực chính của quy trình này:
3.1 Kích hoạt không đủ và nồng độ doping hiệu quả thấp
Thí nghiệm cho thấy nồng độ pha tạp hóa học Mg là 3,3×10¹⁸cm⁻³, nhưng nồng độ chất nhận hiệu quả được kích hoạt (NMột-ND) chỉ khoảng 1,5×10¹⁷cm⁻³ – hiệu suất kích hoạt dưới 5%. Nồng độ lỗ thấp làm giảm khả năng kiểm soát điện áp ngưỡng và tăng điện trở.
Hình 3 Đặc tính điện dung-điện áp (C‑V) của cấu trúc thử nghiệm npn tròn sau khi ủ kích hoạt Mg và biểu đồ nồng độ chất nhận hiệu dụng được trích xuất
3.2 “Khiếm khuyết chết người” do nhiệt độ cao gây ra trong cấu trúc GaN dọc
Nghiêm trọng hơn, quá trình ủ kích hoạt sẽ ngẫu nhiên đưa ra các lỗi cục bộ bên trong thiết bị. Bằng cách phân tích thống kê điện áp đánh thủng và dòng điện rò của điốt npn tròn có đường kính khác nhau, Kamiński et al. nhận thấy rằng sau khi ủ, hiệu suất điện áp đánh thủng của các thiết bị diện tích lớn giảm mạnh. Mật độ khuyết tật phù hợp với mô hình phân phối Poisson xác nhận sự gia tăng đáng kể về mật độ diện tích của “khuyết tật chết người” sau khi ủ. Trong điều kiện phân cực ngược, những khiếm khuyết này tạo thành các đường rò rỉ có rào cản thấp, khiến dòng điện ngoài trạng thái tăng vọt (thậm chí đến mức miliampe) và dẫn đến hỏng thiết bị sớm. Những khuyết tật này có thể là các cụm khuyết tật được hình thành do sự di chuyển và tập hợp các khuyết tật điểm ở nhiệt độ cao; điện trường cục bộ của chúng làm giảm rào cản, gây ra hiện tượng rò rỉ xuyên qua. Đáng chú ý, việc sử dụng chất nền GaN lưỡng nhiệt mật độ trật khớp thấp sẽ ngăn chặn đáng kể sự hình thành các khuyết tật như vậy, càng làm nổi bật thêm tầm quan trọng của homoepitaxy chất lượng cao.
Hình 4. Mô hình phân bố Poisson phù hợp với mật độ diện tích của “khiếm khuyết sát thủ” trong cấu trúc GaN npn dọc trước và sau khi ủ
Cho dù bạn cần epiwafer GaN cho nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].
Tài liệu tham khảo:
- Freter, L., Wang, Y., Schnedler, M., Carlin, JF, Butté, R., Grandjean, N., … & Ebert, P. (2020). Sự tương tác giữa các trạng thái bên trong và bên ngoài trong việc ghim và thụ động hóa các mặt phẳng m của các mối nối GaN npn. Tạp chí vật lý ứng dụng, 128(18).
- Kamiński, M., Abendroth, K., Gołębiowska, A., Szczepański, A., Urbanowski, K., Brzozowski, E., … & Taube, A. (2025). Về nguồn gốc của dòng rò ngoài trạng thái trong các cấu trúc thẳng đứng npn dành cho MOSFET rãnh dựa trên GaN. Thiết bị và Linh kiện Điện tử Công suất, 11, 100086.