美國(guó)康奈爾大學(xué)，IQE RF LLC和Qorvo公司一直在研究如何更好地將埋入式p型GaN層活化[Wenshen Li et al, Appl. Phys. Lett., vol113, p062105, p2018]。在大多數(shù)GaN / III-N生長(zhǎng)過(guò)程中，p型層由于難以活化而留在最后，這通常涉及到通過(guò)加熱樣品以試圖驅(qū)除樣品內(nèi)部的氫，從而鈍化用于產(chǎn)生移動(dòng)空穴載流子的鎂的摻雜。

這種p-GaN-last約束限制的結(jié)構(gòu)可以用于電力電子和其他應(yīng)用的研究。埋入式結(jié)構(gòu)器件有包括異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT），溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），電流孔徑垂直電子晶體管（CAVET）和橫向擴(kuò)散MOSFET （LDMOSFET）。

如圖1，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）在塊狀GaN上產(chǎn)生外延層。頂部p-GaN層在原位發(fā)生活化。研究人員說(shuō)，接觸電阻（~4x10-5Ω-cm2）和霍爾測(cè)量（空穴密度~7％鎂濃度，遷移率為24cm2/Vs）會(huì)使這種具有頂部p-GaN層的材料的性能最優(yōu)。

圖1：（a）原生長(zhǎng)的原位活化p-n二極管結(jié)構(gòu)和兩個(gè)再生長(zhǎng)層的示意層結(jié)構(gòu)。（b）MOCVD和MBE對(duì)照樣品上兩個(gè)再生長(zhǎng)層的信息表。（c）三種類型的圓形二極管的示意性橫截面：在兩個(gè)樣品上合成的p-n，i/p-n和n+/ i /p-n二極管。（d）具有條紋幾何形狀的n+/ i /p-n二極管的示意性橫截面。 條紋長(zhǎng)度50微米。

然后通過(guò)毯式MOCVD或未摻雜GaN的分子束外延（MBE）再生長(zhǎng)來(lái)掩埋p型GaN。對(duì)于MOCVD樣品，將p型GaN在反應(yīng)室中在900℃的氨氣氛圍中退火鈍化30分鐘，并將其用紫外 - 臭氧和氫氟酸進(jìn)行處理，降低MOCVD樣品中硅的殘留。 對(duì)于MBE樣品，掩埋的p型GaN是未鈍化的。 通過(guò)MBE在兩個(gè)樣品上選擇性地生長(zhǎng)，最終確定n+型GaN層。

該材料所產(chǎn)生的這種埋入式p-GaN結(jié)構(gòu)，用于各種疊層的鈀（Pd），鈦（Ti）和金（Au）的觸點(diǎn)進(jìn)行電測(cè)試。 利用干刻蝕法來(lái)去除未摻雜的GaN中再生頂層并用于臺(tái)面隔離。并且將p型GaN在干燥空氣氛圍中在725℃下退火30分鐘來(lái)進(jìn)行活化，利用臺(tái)面?zhèn)缺趤?lái)去除內(nèi)部的氫。退火后，材料的金屬觸點(diǎn)被施加上。

我們發(fā)現(xiàn)，在埋入式p型GaN在沒(méi)有被活化的情況下，未金屬化的MOCVD-樣品結(jié)構(gòu)在反向偏壓下顯示出高漏電流，而經(jīng)過(guò)火化后，可以抑制電流的高漏。

由圖2可以得知，對(duì)于退火后的圓形p-n和i / p-n二極管，其反向偏壓擊穿是在1100-1200V范圍內(nèi)的這與直徑無(wú)關(guān)。同時(shí)我們觀察到擊穿損壞作為臺(tái)面邊緣處的燃燒區(qū)域，對(duì)于沒(méi)有場(chǎng)板或其他邊緣終端結(jié)構(gòu)的裝置而言是典型的問(wèn)題。研究人員估計(jì)，p型GaN層中鎂受體的活化超過(guò)28％，這是根據(jù)穿通時(shí)的場(chǎng)分布計(jì)算得出的。

圖2：反向和正向電流密度與二極管的電壓特性。（a）MOCVD上圓形二極管的反向偏壓特性；（b）MBE控制樣品上的反向偏壓特性；（c）在MOCVD樣品上具有條紋形狀時(shí)的n+/i/p-n二極管的反向偏壓特性;（d）MOCVD樣品上各種二極管的正向偏壓特性。

由圖可以看出，n+/i/p-n二極管具有更高的電度，并且在300V時(shí)發(fā)生與電流相關(guān)的軟擊穿。 MBE樣品裝置具有低得多的電流密度，這歸因于再生層中的氫去除。

n+/i/p-n二極管中的高電流密度歸因于n+ 型GaN層阻擋住氫從掩埋的p型GaN層中擴(kuò)散。 對(duì)于i / p-n器件，鎂擴(kuò)散到未摻雜（UID）GaN帽中將其轉(zhuǎn)換為p-GaN層，并允許氫在活化期間向上擴(kuò)散。 但即使使用直徑為20μm的圓形器件，氫氣通過(guò)臺(tái)面?zhèn)缺诘臄U(kuò)散也不足以進(jìn)行有效的p-GaN活化。

寬度在10μm和5μm之間的窄條紋器件降低了漏電流，并使擊穿值達(dá)到與圓形p-n和i / p-n二極管相當(dāng)?shù)某潭取?研究人員說(shuō)：“這些數(shù)據(jù)表明，在這項(xiàng)工作中，在退火條件下，埋入的p型GaN能夠充分活化，因此橫向氫擴(kuò)散長(zhǎng)度>5μm（條紋寬度的一半）。而活化則是由于氫從蝕刻的臺(tái)面?zhèn)缺谝约皸l紋之間暴露的UID-GaN表面的橫向擴(kuò)散造成的。

p-n和i / p-n圓形器件的正向偏置特性相似 - 由于與p型GaN的歐姆接觸不良，導(dǎo)通電壓相當(dāng)高，導(dǎo)通電流低。

n+ / i / p-n器件是背對(duì)背二極管，因此在“正向”偏壓區(qū)域不具備高電流。 圓形n+ / i / p-n二極管的高電流密度表現(xiàn)出高泄漏電壓并因此表現(xiàn)出較差的p-GaN活化狀態(tài)。而條紋器件中則與之相反，泄露電壓被抑制。

研究人員將10-20μm作為通過(guò)退火有效活化掩埋p-GaN的臨界橫向尺寸范圍。 該范圍允許氫從p-GaN表面逸出，擴(kuò)散長(zhǎng)度為5-10μm。

同時(shí)研究人員表示“反向擊穿測(cè)量是對(duì)埋入式p型GaN的受主活化比光發(fā)射更嚴(yán)格的測(cè)試。 埋入的p型GaN的任何不充分活化都會(huì)導(dǎo)致由于過(guò)早擊穿而導(dǎo)致的電流的急劇增加。

該團(tuán)隊(duì)還建議在表面附近活化鎂會(huì)產(chǎn)生吸引氫離子（主要是質(zhì)子）的電場(chǎng)，從而增強(qiáng)向外擴(kuò)散。 然而，當(dāng)需要?dú)鋽U(kuò)散的橫向尺寸增加時(shí)，濃度梯度和電場(chǎng)的影響減小。