《Materials Science in Semiconductor Processing》：Avalanche stress in localized GaN epitaxial p–n diodes on 200 mm silicon substrates
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本研究在200mm硅衬底上采用选择性区域生长（SAG）技术制备了伪垂直GaN功率器件，通过直流应力测试和TCAD模拟证实了805V击穿电压下的稳定雪崩特性，揭示了侧壁电场增强对击穿机制的关键影响。
Mohammed El Amrani|David Plaza Arguello|Zakariae M'Qaddem|Hala El Rammouz|Thomas Kaltsounis|Matthew Charles|Daniel Alquier|Julien Buckley
格勒诺布尔阿尔卑斯大学，CEA，Leti，F-38000，格勒诺布尔，法国
摘要
在这项研究中，我们展示了在200毫米硅衬底上通过选择性区域生长（SAG）技术制备的伪垂直GaN功率器件中的雪崩击穿现象。与GaN-on-GaN器件相比，这种方法具有与硅制造工艺兼容和低成本的优势，为实现高性能提供了途径。1.5 × 10^16 cm^-3的掺硅GaN漂移层使得制造805伏的伪垂直p-n二极管成为可能。通过进行温度依赖的反向偏压测量（298–373 K）以及在雪崩阈值附近施加直流应力，初步评估了器件的稳定性。在没有专用边缘终止层的情况下，峰值电场集中在p-n结的侧壁，引发了冲击电离和雪崩击穿。进一步的应力导致器件发生硬击穿——这是由热机械退化引起的——这一点通过故障后的扫描电子显微镜（SEM）分析得到了证实。TCAD模拟进一步证实了侧壁电场增强在雪崩起始和失效机制中的作用。
引言
氮化镓（GaN）由于其能够在高电场和开关频率下高效运行，已成为下一代功率电子器件的关键材料。由于其宽禁带，GaN具有更高的临界击穿场强、更快的载流子传输速度以及更低的开关损耗，从而在高压和高频应用中表现出优异的性能。这些优势推动了GaN器件在无线通信系统、电动汽车和可再生能源电力转换技术等领域的研究和工业应用[1,2]。该领域的一个显著技术进展是从传统的横向GaN器件架构向垂直GaN结构的转变。在垂直GaN器件中，电流垂直于衬底流动，而不是沿着表面流动，从而更有效地利用了器件的体积来阻断电压[3]。这种结构方向支持更高的电流传导能力和更好的散热性能，这对于高压和高功率应用至关重要[3,4]。
自由站立的GaN衬底的出现为低应力GaN外延生长提供了有吸引力的途径，并使得实现完全垂直的器件架构成为可能[5]。尽管有这些优势，但由于生产成本高、材料质量不均匀、晶圆直径受限以及商业供应有限等因素，其实际应用仍然受到限制。因此，大量的研究关注点转向了在硅、蓝宝石和Qromis Substrate Technology（QST?）等外来衬底上开发垂直GaN功率器件[6]。
在这些替代方案中，硅（Si）衬底特别具有吸引力，因为它们成本低廉且与成熟的、大直径的半导体制造工艺兼容。然而，GaN和Si之间的晶格常数和热膨胀系数存在显著差异，这在外延生长过程中带来了相当大的挑战。尽管已经采用了各种应变管理策略来缓解这些问题，但在Si衬底上可实现的外延厚度通常仅约为10微米，从而限制了高压操作所需的漂移区域厚度[7,8]。为了解决这一限制并提高可获得的最大击穿电压（BV），提出了在200毫米Si晶圆上使用选择性区域生长（SAG）技术。通过在图案化生长区域的边界促进局部应变松弛，SAG减少了热诱导应力，并使得能够形成厚度接近8微米的应力缓解GaN漂移层，这非常适合垂直器件的实现[[9], [10], [11]]。
尽管在伪垂直GaN-on-Si p-n二极管（PNDs）的开发方面取得了连续的进展，但其雪崩击穿行为——作为器件可靠性的一个重要指标——尚未得到完全澄清[12,13]。特别是，对于采用SAG生长GaN漂移层的器件，其雪崩能力尚未得到确凿的证明[14]。在功率电子应用中，维持受控的雪崩操作能力至关重要，因为它确保了在接近击穿条件下的非破坏性行为，从而提高了器件的鲁棒性和整体系统的可靠性。然而，有几个因素可能会阻碍这一能力，包括沿台面侧壁的寄生漏电流、GaN漂移层内的高 threading 位错密度以及局部点缺陷，所有这些都可能导致过早或破坏性的击穿事件[15]。这些挑战仍然是实现GaN-on-silicon功率器件可靠雪崩性能的重要障碍[16]。在我们最近的研究中，使用未夹紧的电感开关（UIS）测量方法研究了类似器件结构的雪崩特性[17]。然而，这种表征技术会对器件施加严重的电应力和热应力，可能导致灾难性故障，并使对内在雪崩行为的可靠评估变得复杂。
本研究报道了在硅衬底上通过选择性区域生长（SAG）技术制备的伪垂直GaN p-n二极管在805伏下的雪崩操作情况，同时对其在正向和反向偏压条件下的电气特性进行了全面表征。与我们的先前工作[17]不同，这里采用了最初为SiC器件开发的直流应力方法[16]来研究雪崩行为。在这种技术中，器件在接近雪崩阈值时被施加恒定电流，同时实时监测产生的电压瞬变。支持性的TCAD Synopsys模拟表明，在未钝化的台面侧壁处出现了明显的电场聚集现象，这与通过SEM分析确定的冲击电离位置非常吻合。总体而言，这些发现表明基于SAG的GaN-on-silicon平台不仅能够实现可扩展的垂直器件架构，还表现出稳定的雪崩行为，有助于缩小横向GaN-on-Si HEMTs与新兴的垂直GaN功率器件技术之间的性能差距。
器件结构和制备
图1展示了我们制造的伪垂直p-n二极管的3D视图。该器件起始于200毫米硅（111）衬底，我们使用金属有机气相外延（MOVPE）技术在衬底上生长了外延层堆叠。该堆叠包括AlGaN/AlN缓冲层、一层300纳米的非故意掺杂GaN层，以及三层n型GaN层，每层厚度为350纳米，掺杂浓度从上到下依次降低（5 × 10^18、5 × 10^17和5 × 10^16 cm^-3）。这三层最初是按照特定设计制造的
电容-电压（C-V）测量
电容测量使用了Keysight（Agilent）B1520A多频电容测量单元（MFCMU）进行。如图5所示，通过100 kHz的高频C-V测量，并使用图中给出的公式[22]，提取出净掺杂浓度N_D-N_A约为1.5 × 10^16 cm^-3；其中N_D、N_A、q、ε_s、ε_m0分别表示n型GaN中的施主和受主浓度、电子电荷、GaN的相对介电常数、真空介电常数以及面积
结论
在这项工作中，我们展示了在硅衬底上通过选择性区域生长（SAG）技术制备的垂直GaN p-n二极管在805伏下的雪崩击穿行为，这种技术具有成本较低和与标准硅制造工艺兼容的优势。要实现高正向电流和低特定导通电阻，需要仔细优化器件几何结构并在p-GaN层上形成高质量的欧姆接触。
反向偏压行为通过系统化的方法进行了研究
CRediT作者贡献声明
Mohammed El Amrani：撰写——原始草稿、软件开发、方法论、研究、数据分析、概念化。David Plaza Arguello：资源提供。Zakariae M'Qaddem：资源提供、数据分析。Hala El Rammouz：资源提供。Thomas Kaltsounis：资源提供。Matthew Charles：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、研究、资金筹集。Daniel Alquier：撰写——审稿与编辑、验证、监督、研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
