垂直GaN PNダイオードの進展：包括的レビュー

要旨

代表的なワイドバンドギャップ半導体材料として、窒化ガリウム（GaN）はその優れた材料特性（高い電子移動度、高い電子飽和速度、臨界電界など）により注目を集めています。垂直GaNデバイスは研究が進み、高電圧、大電流、高耐圧の能力を特徴とするパワーエレクトロニクス応用の最有力候補の一つと見なされています。それらの中でも、垂直GaNベースのPN接合ダイオード（PND）はかなり研究され、高品質エピタキシャル成長とデバイス構造設計に基づいて性能が大きく向上しています。しかし、デバイスエピタキシャル品質の更なる改善が必要です。デバイス電気特性の面では、デバイスエッジでの電界集中効果が差し迫った問題であり、早期降伏を引き起こしGaN材料の優位性の発揮を制限していますが、現在はエッジ終端技術によって緩和されています。このレビューでは、材料エピタキシャル成長とエッジ終端技術の進展を主眼とし、続いて現在のGaN開発とシリコンカーバイド（SiC）に対する材料およびデバイスでの潜在的優位性、GaNショットキーバリアダイオード（SBD）とPNDのメカニズムと特徴の違い、垂直デバイスの横型対比での利点を探ります。続いて、パワーシステム向け垂直GaN PNDの設計傾向と展望を示し、初期段階の垂直GaN PNDも含めて論じます。

はじめに

産業と経済の急速な成長により、世界のエネルギー消費は過去数十年よりもはるかに速く増加しています。したがって、増大するエネルギー消費の問題を緩和するために、先進的な省エネ技術が求められています。

シリコンベースデバイスは現在、パワーデバイスの中で主流のタイプです[1]。これらのパワーデバイスの中で、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）構造は重要な役割を果たし、1982年のIGBT発明以来、パワーバイポーラ接合トランジスタ（BJT）とMOSFETに取って代わる傾向が強まっています[2]。現在、IGBTは電力変換と送電の分野で不可欠な要素です[3]。しかし、シリコンベースパワーデバイスはこれまでに材料の根本的限界に達しており、電気エネルギー応用で広く利用されています。

その優れた特性により、GaNはSiC、GaN、Ga₂O₃、ダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体材料の中で、Siベースデバイスに対して特定の耐圧で低容量と低抵抗を実現できる材料として、低消費電力、高電力密度、高変換効率のパワーエレクトロニクスシステム用GaNベースデバイスが期待されています。

表1に示すように、GaNはSiC（すでに商用化）よりもはるかに高いバリガーの優良指数（BFOM）を持ち、これはより高い電子飽和速度と高い臨界電界に起因します。しかし、SiCはより優れた熱伝導率を持ちます。また、GaNはGa₂O₃と比較してより高いキャリア移動度μと高い熱伝導率を持ち、p型とn型の両方のドーピングを達成しています。一方、究極のワイドバンドギャップ半導体であるダイヤモンドは、実用段階に達するにはかなりの進歩が必要です。現在、GaNベースデバイス、例えば三端子デバイス（ヘテロ構造電界効果トランジスタ（HFET）とMOSFET）と二端子デバイス（SBDとPND）が主要な研究トピックとなり、電力整流と電力変換への応用で大きな進歩を遂げています。

GaN対SiC

固有の材料特性から、GaNはSiCに対してわずかに優れた利点を持ちます。より広いエネルギーバンドギャップ、より高い臨界電界、より高い電子飽和速度、パワーデバイスで3〜4倍優れたBFOM[6]です。したがって、その優れた特性を考慮すると、GaNベースデバイスはSiCベースの対応デバイスを上回るべきです。実用応用では、垂直GaNベースデバイスはその優れた材料特性により、高電力密度と高動作周波数（図1）に不可欠です。

GaNとSiCパワースイッチングトランジスタの潜在的応用[7]

最も成熟したワイドバンドギャップ半導体として、SiCデバイスは過去10年間で著しい進歩を遂げ、高電圧、低特性オン抵抗、高速スイッチング速度の面で有望な性能を示しています[8]。1980年以来の深い研究基盤と、低欠陥（< 10⁴ cm⁻²）のより大きなSiC基板の入手可能性により、SiC SBDと接合型電界効果トランジスタ（JFET）は2001年以来最初に商用化されたSiCベースデバイスとなりました。MOSFETやBJTなどの他のSiCベースパワーデバイスも、高電圧と電力応用の分野で成功裏に開発され、印象的な性能を示しています[9]。

SiCと比較して、GaNデバイスの開発は非常に遅れています。不満足な材料品質が、理論上の優れた特性の一部の実現を妨げています。GaN基板の不足により、現段階ではGaNデバイスに関するほとんどの研究は主に横型構造（例：AlGaN/GaNヘテロ構造）に基づいています。SiC対応品と比較して、より高い電子移動度2000 cm²/V·s（AlGaN/GaNの二次元電子ガス（2DEG））、1000 cm²/V·s（バルクGaN）、より高い飽和速度2.5 × 10⁷ cm/sを持つAlGaN/GaNデバイスは、高周波応用に好まれ、SiCデバイスに対して低電力ワットで動作します[10]。高周波分野では、AlGaN/GaN SBDは優れた電気輸送性能を達成し、ワットレベルでのマイクロ波とミリ波応用により適しています[11, 12]。AlGaN/GaN SBDはGaN SBDの代表的デバイスです。2DEGの高移動度により、AlGaN/GaN SBDは高周波応用で垂直SBDに対して大きな性能優位性を示し、低ターンオン電圧も維持します。最近、AlGaN/GaN SBDを基盤として、入力電力6.4 W、ターンオン電圧0.38 V、耐圧（BV）3000 Vの5.8 GHz整流回路が実現されました[13, 14]。最大カットオフ周波数は、アノード-カソード距離70 nmで0 V時に1 THzに近づきます[15]。

GaNベースパワーデバイスにおいて、GaN基板（バルクGaN）はエピタキシャル成長に理想的であり、ホモエピタキシー技術を利用してミスマッチを排除できます。バルクGaNの低転位密度はエピタキシャル基板にとって不可欠です。高転位密度は、BV、逆リーク電流、生産量、信頼性などの性能特性に影響を与える可能性があります[16]。近年のGaN基板の進歩により、垂直GaNベースデバイスの開発が推進されています。しかし、垂直三極管の技術が比較的未成熟であるため、垂直GaNダイオードがこの初期段階でホットな研究トピックとなっています。AlGaN/GaN SBDと比較して、垂直GaN SBDは周波数分野で同様の利点（低逆回復時間と低伝導損失による高速スイッチング）を持ちますが、後者は大きな電流密度と少ないリークパスを持ちます[17, 18]。

GaN基板にはいくつかの問題があります。第一に、現在GaN基板は10⁴–10⁶ cm⁻²の転位密度で入手可能ですが、これらは依然としてSiとSiC基板よりもはるかに高いです[19]。第二に、SiCの4–6インチウェハサイズと合理的なコスト（10ユーロ/cm²）に対し、GaN基板の2–3インチサイズと比較的高いコスト（100ユーロ/cm²）が、GaNの大規模な商用化と生産性を阻害しています[20]。供給ベンダーの増加に加えて、異種基板（Si、サファイア、SiC）へのヘテロエピタキシーはGaN基板コストを削減する代替手段ですが、比較的高いミスマッチと欠陥という課題に対処する必要があります。

上記のバルク材料の問題に加えて、GaNダイオードの課題は高品質なp型材料の実現です。Alイオン注入による比較的高度なp型SiC形成技術に対し、未成熟なp型イオン注入技術とp型GaNの低アクセプター活性化は、GaNベースデバイスの構造と製造の発展を制限する重要な障害です。したがって、さまざまな種類のエッジ終端構造がGaNダイオード性能の改善のために提案され、このレビューの重要な部分を構成しています。

FS基板上の垂直GaNベースデバイス

約10年前まで、ほとんどのGaNダイオード（SBDとPNDを含む）は、バルクGaN基板が入手できなかったため、外国基板上に製造され、横型または準垂直デバイス構造を形成していました。横型または準垂直ダイオードは優れた電気特性を示しますが、デバイス構造から固有の欠点を抱えています[21]。第一に、ミスマッチと欠陥は避けられません。次に、外国基板上のGaNデバイスでは、GaNドリフト層と外国基板の間にバッファー層が不可欠です。したがって、バッファー層の応力緩和がウェハ反りを引き起こし、GaNエピタキシャル層の厚さを減らします[22]。さらに、大きな熱境界抵抗（GaNと基板間）は、高電力密度で動作するGaNデバイスの性能に深刻な影響を与えます[23]。

エピタキシー技術の発展により、低転位密度のフリースタンディングGaN（FS-GaN）基板が垂直GaNデバイスに採用され、大きな進歩を遂げました。FS-GaN基板上のホモエピタキシャルGaNの材料品質は明らかに改善され、電力応用の可能性を示しています。垂直GaNデバイスは、横型GaN対応品の欠点を緩和できます。第一に、バッファーなしでより厚いGaNエピタキシャル層を成長でき、より高いBV（横型GaNデバイスを超える）が得られ、ドリフト層の厚さによって決まります。一方、最大電界はデバイス内部に位置し、デバイス表面から遠く離れています（横型デバイスで一般的に発生する電子トラップ効果を排除）。高品質FS-GaN基板を得て、垂直GaNデバイスは2011年以来研究されています[24]。以来、高BVと低オン抵抗を持つ垂直GaN PNDが製造され、顕著な性能を達成しています。

PND対SBD

実用応用では、ダイオードは電力変換とインバージョンの必須コンポーネントです[25]。GaNの独特な材料特性により、GaNベースダイオード（SBDとPND）は顕著な性能を示し、電力応用の要件を満たすことが期待されています。図2に示すように、PNDは600〜5000 Vの耐圧でGaNデバイスの中で最も広い範囲をカバーしており、より広い応用シナリオを示唆しています。

最近報告された主要な垂直GaNパワーデバイスのデバイスタイプ、報告数、電圧クラスの概要[26]

PNDと比較して、少数キャリア蓄積問題がなくSBDバリア高さが低いGaN SBDは、低順方向ターンオン電圧（V_on）と高速逆回復を特徴とし、これらは低伝導/スイッチング損失、高周波動作でのSBDの長所を示しますが、PNDよりも低いBV値を持ちます。なお、高ターンオン電圧は高伝導損失を引き起こし、回路とシステムの効率を低下させます[27, 28]。

高電力分野では、準垂直または垂直SBDはAlGaN/GaN SBDに対して優れた利点を持ちます[29]。また、低仕事関数金属でバリア高さを調整することで、低ターンオン電圧（< 0.5 V）が達成されます。しかし、低バリア高さは高逆リーク電流を容易に引き起こし、BVを低下させる可能性があります。その結果、さまざまなエッジ終端構造が性能向上のために提案されています。多様なエッジ終端技術の支援により[27, 28, 30, 31]、KA/cm²級の高電流密度と1 kV超のBVが確認されています。一方、垂直SBDは高周波でも優れた能力を示し、177–183 GHz、0 Vでの最大902 GHzカットオフ周波数など、テラヘルツ無線通信システムの電源として期待されています[12, 32]。

n型GaNに関して、金属有機化学気相成長（MOCVD）と分子線エピタキシー（MBE）によるp型GaNは、Mgをアクセプターとして導入されました[33]。GaN SBDと比較して、GaN PNDには低特性オン抵抗（R_on A）、適切なデバイス安定性、サージ電流抑制能力など多くの利点があります。高ターンオン電圧（> 3 V）と比較的低いスイッチング速度にもかかわらず、より高いバリア高さによる超低リーク電流と高BVが得られます。なお、0.6〜5 kVの高BVはGaNベースPNDの最も顕著な性能です。したがって、GaNベースPNDは、高効率と低エネルギー損失を必要とする高電力応用向け次世代パワーシステムの重要な構成要素として大きな可能性を秘めています[34]。垂直GaN SBDと同様に、GaN PNDのエッジ終端もアノード周辺の電界集中を緩和するために製造されており、詳細は後で説明します。

パワーデバイスでは、PN接合を新しい接合構造として扱うこともできます。PNDの高BVと低逆リーク電流、SBDの高スイッチング性能と低ターンオン電圧を同時に活用するため、ショットキー接触領域にp型グリッド領域を形成することでSBDとPNDを組み合わせた、接合バリアショットキー（JBS）とマージドPNショットキー（MPS）といった新規デバイス構造が生まれました。JBSまたはMPSデバイスは、SBDの順方向伝導特性とPNDの逆方向ブロッキング特性を兼ね備え、従来のPNDとSBDよりもそれぞれ優れたスイッチング性能とより高い逆電圧を持つことが期待されます[35]。

高電力応用に加えて、GaN PNDは低暗電流（数pA）を持つGaNベースPN接合フォトダイオードにより、発光ダイオード（LED）、フォトディテクタ、炎検知などの光電子デバイスにも採用されています[36, 37]。

本レビューの目的

GaNの優れた材料特性に基づき、GaNベースデバイスは広く研究され、パワーエレクトロニクス応用において最もホットな半導体材料の一つとして利用されています。GaNベースデバイスの中で、垂直GaNベースPNDはかなり探求され、優れたBFOMを示しています。エッジ終端技術も、アノードパッド周辺の電界集中を緩和するために不可欠です。

本レビューでは、材料エピタキシャル成長とエッジ終端技術の進展を主眼とし、現在のGaN開発、GaN SBDとPNDのメカニズムと特徴の違い、垂直デバイスの横型対比での利点を説明します。パワーシステム向け垂直GaN PNDの展望と設計傾向を示し、初期段階の垂直GaN PNDも含めます。垂直GaN PNDのさまざまな層に対応するエピタキシャル成長の発展を第2節で紹介します。エッジ終端技術を第3節で探ります。第4節では、Si基板上の垂直GaN PNDを代替手段として実証します。最後に、垂直GaN PNDの将来の発展に関する結論と展望を提供します。

材料エピタキシャル成長

垂直PND用GaN基板

主流のエピタキシャルプロセスとして、垂直デバイスエピタキシャル層は現在、水素化物気相エピタキシー（HVPE）で製造された導電性GaN基板上にMOCVDで主に成長されています。この構造では、基板の品質が後続のエピタキシャル構造に直接影響します。デバイスの多くの故障メカニズムは基板エピタキシー品質に起因します[38]。順方向と逆方向のI–V性能、特に逆リーク電流とBV能力をさらに改善するには、高品質な導電性GaN基板を得る必要があります。

HVPEによる基板成長は、比較的低コストと再現性から量産に最も便利な方法と見なされてきました。しかし、初期段階では未成熟な成長技術により、HVPE成長GaN基板は高背景キャリア濃度（> 10¹⁹ cm⁻³）と不満足な結晶品質を持っていました。したがって、HVPEはデバイス構造の成長には採用されませんでした[39]。エピタキシー成長技術の急速な発展により、HVPEによる高品質バルクGaN材料が徐々に可能になりました[40, 41]。基板に加えて、デバイスの一部エピタキシャル層をHVPEで成長でき、MOCVDエピタキシャルプロセスとカーボンフリー技術を組み合わせることで、MOCVD単独で成長したデバイスと比較してより高い電流均一性とGaN表面のマクロステップの除去が可能になります[42]。

現在、転位密度10⁴ cm⁻²未満の商用GaN基板が入手可能です。低欠陥密度GaN基板上のGaN垂直PNDがプロセスされました。しかし、ウェハ反りは依然として問題です。有望な解決策として、アンモサーマル法はより良いエピタキシー品質のGaN基板を達成できます。高圧オートクレーブと超臨界アンモニアにより、スレッディング転位を10⁴–10⁵ cm⁻²に大幅に削減できます[43]。アンモサーマル法を用いて、高ドープn型（1 × 10¹⁹–1 × 10²⁰ cm⁻³）GaN基板で0.001 Ω·cm²の低抵抗と3 kVのBVが報告されています[44]。しかし、アンモサーマル法の欠点は約80–90 μm/日の低成長率であり、実用生産に不利です。成長率の向上と高材料品質の維持は、今後の研究の有望な方向です。

商用GaN基板に加えて、特定の性能を求めていくつかの基板も調査されています。非Ga面（c面）基板も含まれます。一般に、Ga極性（c面）基板がGaN垂直デバイスに使用されます。すると、後続のエピタキシャル層は劇的な分極効果を示します。しかし、Ga極性対応品とは逆方向のN極性方向に沿ったホモエピタキシャル層は、より高い分解温度と極性依存特性により独自のデバイス特性を示します[45, 46]。N極性単結晶FS-GaN基板を用いて、エッジ終端なしで2.2 MV/cmの電界と、N₂O表面プラズマ処理とフィールドプレート（FP）により2.4 kVのBVが達成されました[46, 47]。もう一つの特殊なGaN基板として、m面もその非極性（c極性ではGaのみ、N極性ではNのみに対し、m面ではGa:N = 1:1）という特性から幅広い注目を集めています。この非極性GaN基板を用いて、2.0 MV/cmの臨界電界と、FPやエッジ終端なしで高オン/オフ比を持つPND特性が報告されています[48]。

n-GaNエピタキシャル技術

高品質導電性GaN基板が存在する前は、GaN PNDは主にSi、SiC、サファイアなどの外国基板上に製造されていました。したがって、デバイス構造は常に横型に限定されていました。横型デバイスのウィンドウ領域での低スレッディング転位（TD）に基づく手法がエピタキシャル品質向上のために提案されました。マスクを横切って横方向に成長したGaNエピタキシャル層は、はるかに低いTD密度を達成できます。したがって、サファイア基板上の横型PNDのために横方向エピタキシャルオーバーグロースが実施されました。逆リーク電流が3桁抑制されました[49]。

エピタキシャル技術の発展により、転位密度3 × 10⁻⁶ cm⁻²の高品質単結晶GaN基板が入手可能になり、GaN基板上でGaN PNDが製造されるようになりました。MOCVD成長による上層エピタキシャル層と組み合わせ、デバイスは低リーク電流と600 V〜4 kVの高BV（ドリフト厚6〜40 μmに対応）を示します[16, 50]。サファイア基板上のデバイスと比較して、逆リーク電流とBVが大幅に改善されました[51]。

ネイティブGaN基板では、外国基板上のようなPNDエピタキシャル構造に特別なバッファー層は通常現れません。GaN基板上のPNDにおけるバッファー層の影響が参考として調査されました。バッファー層の存在はドリフト層の欠陥密度が低いことを意味します。一方、より厚いバッファー層だが薄いドリフト層でより高いBVが得られます。デバイスの逆リーク電流も改善されました。これらのデバイスパラメータはバッファー層の厚さと強い関係を示しますが、デバイスの順方向特性にはわずかな影響しか与えません[52]。

上層エピタキシャル層は、この部分で議論するようにMOCVD、金属有機気相エピタキシー（MOVPE）、MBEによって堆積されます。PNDのエピタキシャル構造は、導電性GaN基板とp-GaNの間に、高ドープn⁺-GaN層とn⁻-GaNドリフト層を含みます（図3）。高ドープn⁺-GaN層は、一部の報告では導電性GaN基板上の遷移層として機能します。

GaN垂直PNDの概略構造と製造プロセス

一般に、BVはデバイスの応用シナリオを決定します。例えば、SiCデバイスのGaNに対するより高いBVは、電気自動車や新幹線のような高電力・高電圧応用でのSiCデバイス利用を可能にします（図1）。同様に、PNダイオードはショットキーダイオードやHEMTに関してより高い電圧で適用されます。PNDでは、BVは主にドリフト層（軽くドープされたn⁻-GaN層）によって、印加電圧V（デバイスが逆バイアス時にVは順/逆バイアスで正/負）で空乏領域が広がることで担われます（式1で表現）。さらに、逆バイアスの増加とともに降伏が起こります。

W_D = √[2ε_s(V_bi - V)/q × (N_A + N_D)/(N_A N_D)] (1)

ここで、S、q、V_bi、N_D、N_Aはそれぞれ接合面積、電子電荷、内蔵電位、ドナー濃度、アクセプター濃度です[53]。

空乏層幅によれば、デバイスは非パンチスルー（W_D > W_Dm、W_Dm：最大空乏層幅）とパンチスルー（W_D < W_Dm）に分類されます。エピタキシー構造とエッジの問題により、ほとんどのGaN垂直デバイスはパンチスルー型に分類されます。すなわち、降伏前に空乏領域がn⁻-GaN層全体を超えて拡大し、n⁺-GaN基板に達します。

さらに、式(2)で説明されるように、ドリフト層の厚さを増し、n型ドーピング濃度を減らすことでBVを向上できます。

BV = E_C t - q N_D t² / (2ε₀ ε_r) (2)

ここで、E_C、q、t、N_D、ε_rはそれぞれ臨界電界、電子電荷、n⁻-GaN層厚、n⁻-GaN層の正味キャリア濃度、半導体誘電率です[54]。幸い、経験によれば、より厚く低ドープのドリフト層は順方向伝導時のオン抵抗をわずかに増加させるだけです。

ドリフト層厚を増やしてBVを向上させることと比較して、n⁻-GaN層のn型ドーピング濃度を減らすことは、Si、Oなどの高背景濃度のために現在困難です。n⁻-GaN層のドーピング濃度をさらに減らすため、非意図的ドーピング濃度が調査されています。多くの研究グループが、p-GaNに接する名目上i-GaN（約10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³）を導入し、p–i–n構造を形成してダイオードのBVを改善しています[55]。

これらの対策の前提条件は、ドリフト層の高エピタキシャル品質です。なぜなら、TDはオフ状態リークを増加させ、BV特性を劣化させるからです[56]。

GaN垂直PNDのドリフト層エピタキシャル品質をさらに向上させるため、GaN基板上でのMBE成長が調査されました。非常に低い転位密度により、3 nA/cm²未満のリーク電流と3.1 MV/cmの電界が得られました。ほぼ理想的な降伏性能は、MBEがGaN垂直PNDのエピタキシャル層成長に効果的な方法であることを示しています[56]。しかし、アンモサーマル成長と同様に、エピタキシャル成長速度もまた欠点です。

p-GaNエピタキシー

GaN垂直PNDの重要な構成要素であるp-GaNは、1969年にHVPEによるGaN出現以来、1989年に報告されました[57, 58]。最初は青色LEDの実現に利用されました。その後、p-GaNはノーマリーオフデバイスやPNDなどの電気デバイス分野で徐々に採用されるようになりました。垂直GaN PNDでは、p-GaNは軽ドープ（約10¹⁹ cm⁻³）と重ドープ（≥ 10²⁰ cm⁻³）濃度を持ち、それぞれドリフト層とのPN接合層形成とアノード電極としてのオーミックコンタクト促進に対応します。

一般に、p-GaNのエピタキシャル成長はMOCVDにより約1000 °Cで行われ、Mg²⁺をアクセプターとして採用します。その後、成長したp-GaN層は、比較的高い正孔濃度を促進するために、N₂雰囲気で700–800 °C、またはO₂雰囲気で400 °Cの高温で活性化する必要があります[59-61]。しかし、Mg-H結合の高い電離エネルギー（150–200 meV）は、p-GaN活性化率がわずか1–3%であることを意味します。低活性化率は温度とも関係します。Mgドーパントは、NH₃または水素雰囲気で≥ 600 °Cの高温で再パッシベートされる可能性があります[62]。正孔濃度を改善するためにドーピング濃度を単に上げることは、p-GaNの高ドーピング濃度が層の結晶品質を悪化させ、自己補償効果で正孔密度を減らす可能性があるため現実的ではありません[63]。現在、アクセプター濃度約3 × 10¹⁹ cm⁻³で正孔密度のピークが通常達成されます[64]。p-GaNにはいくつかの問題がありますが、関連研究報告は多くありません。これは二つの理由に起因する可能性があります。一つは材料の固有特性とエピタキシャル装置の限界。もう一つは、現在のp-GaNでも比較的良好なデバイス性能が得られることです。

しかし、成長条件の最適化と新規エピタキシャルプロセスの研究は続けられています。例えば、2017年にはMBEによる非活性化再成長p-GaNが提案され、MOCVDに対する利点を持っています。低水素成長環境により、製造された垂直GaN PNDで1.1 kVのBVと2.5の理想係数が達成されました[65]。もう一つの興味深いp-GaN製造法は、超高圧アニーリング（UHPA）プロセスを伴うMgイオン注入です。結果は、N₂圧力1 GPa、温度1573–1753 Kでの注入後アニーリングにより、70%の高活性化比と24.1 cm²/V·sの正孔移動度が達成され、MOCVDエピタキシー成長と同等の結果であることを明らかにしています[66]。

結論として、基板については商用低欠陥GaN基板が現在入手可能です。一方、エピタキシャル技術はまだ発展途上であり、デバイス性能に強く影響します。MBEはMOCVDと比較して優れたエピタキシャル品質を達成でき、エッジ終端なしで優れたデバイス性能をもたらします。しかし、その遅い成長率と高コストにより、MBEは大規模生産には不向きです。MOCVDによるエピタキシー成長は依然として実用的な主要生産方法です。したがって、MOCVDで成長したエピタキシャル層の品質向上は喫緊の課題であり、相当な時間を要します。したがって、この段階では高度なデバイス構造設計や対策が優れた性能のために提案されています。

エッジ終端技術

垂直GaN PNDにおいて、BVは重要なパラメータです。垂直GaN PNDに関するほぼすべての研究は、逆方向での耐圧向上（すなわちBV）に焦点を当てています。しかし、PN接合のエッジ、空乏層エッジ、電極エッジでの電界集中により、早期降伏がしばしば発生します。したがって、デバイスの電界集中を緩和するため、高度なデバイス構造設計（すなわちエッジ終端技術）が開発されています。現在、GaN PNDのより高いBVのために、PN接合エッジでの電界集中を緩和する多様なエッジ終端技術が採用されています。これらの技術には主に、フィールドプレート（FP）、イオン注入とプラズマ処理、さまざまな角度やステップでのメサエッチング、ガードリング（GR）が含まれます[49, 67-69]。これらを本節で議論します。

金属フィールドプレート

FPは、ゲート、アノード、または接合のエッジからピーク電界を遠ざけるためにGaNベースデバイスで広く利用されてきました。この方法は、逆バイアス下でPN接合エッジでの電界強度を緩和するという同一の特徴を持ちます。さらに、FP終端を用いることで、逆電圧下での低リーク電流と高耐圧が達成でき、比較的シンプルな製造プロセスも特徴です。

FP構造の利点には、シンプルな製造プロセスとデバイスプロセスとの互換性が含まれます。同時に、FPの誘電体層はデバイスのパッシベーション層でもあります。垂直GaN PNDの最も初期かつ最も広く使用されているエッジ終端として、非延長FP終端が最初に使用されました（図4a）。FP構造の製造では、誘導結合プラズマ（ICP）ドライエッチングでメサ構造を加工します。その後、プラズマダメージからの寄生リーク電流を抑制するため、アノード電極とメサ構造全体にパッシベーション誘電体膜を堆積します[70]。

PNDの構造：a FPと延長パッシベーション誘電体層；b 延長FP金属とパッシベーション誘電体層[70, 71]

PN接合エッジ周辺の電界集中をさらに緩和するため、メサ全体を覆う延長FP金属が利用され、逆リーク電流を減らしBVを向上させました[71]。この最適化FP構造は現在、垂直GaN PND製造で広く採用されています。図4bに示すように、延長FP構造でBVが3 kV以上に向上しました。同時に、3 kVの逆電圧で逆リーク電流もかなり低いレベルに抑制されました。

FP構造の不可欠な構成要素として、パッシベーション層はデバイス特性に大きな影響を与えます。したがって、適切なパッシベーション層が不可欠です。シミュレーションにより高誘電率（high-k）パッシベーション層が提案され、均一な逆電流フローも得られます[50]。この理論に基づき、FP終端を持つ垂直GaN PNDで、Ga₂O₃（誘電率10）をパッシベーション膜として使用したものが報告されました。BVが200から550 Vへ大幅に改善され、Ga₂O₃のようなhigh-k誘電体膜が垂直GaN PNDのFP終端のパッシベーション膜として有望であり、デバイス特性向上に寄与することが示されました[72]。しかし、FP終端にはいくつかの短所もあります。主な問題は、誘電体層堆積時の欠陥と誘電体/GaN界面であり、キャリアトラップを引き起こします。これらは長期使用時のデバイス性能不安定を招きます。したがって、誘電体層の最適化堆積プロセスを調査する必要があります。

メサ終端

メサエッチングは、平面GaNベースデバイスの製造において隣接デバイスを分離する不可欠なステップです。シンプルなプロセスであるため、この構造は垂直GaN PNDプロセスで人気があります。PN接合エッジでの均一な電界に加え、非破壊的でアバランシェ特性を持つ高BVがPNDで達成できます。例えば、シンプルだが深いメサ構造で優れた性能が得られます。図5aに示すように、垂直PNDで10 μm以上の深さのメサ構造により、非破壊的BVとアバランシェ特性が確認されました[73]。

a 深くエッチングされたメサ構造を持つPND；b 二段メサを持つPND[73, 74]

新規メサ構造も図5bに示すように調査されています。垂直PNDでマルチメサ（二重メサ）構造が採用されました。一般的な単一メサ構造と比較して、二重メサ構造は、薄くなった上部メサのp-GaNで正孔が完全に空乏化されるため、PN接合エッジから薄くなった上部メサのp-GaN下部へピーク電界をシフトできます。4.7–4.8 kVの高BVが非破壊的特性とともに二重メサ構造で達成されました。順方向I–V特性を低下させることなくアバランシェ能力が得られました[74]。一方、二重メサ構造は準垂直PINDでも同一の機能を持ちます[75]。BVが低リーク電流と同時に665から835 Vに向上しました。

一般的な垂直メサ構造に加えて、負ベベルを持つメサ構造が最近提案され、PN接合エッジでの電界集中を緩和します。負ベベルメサでは、ベベル角θが90°から低下すると、エッジでの電界は減少傾向を示します。ピーク電界はデバイス内部へ移動します。[76]では、実験的調査によりベベルメサ構造（図6a）が、同じFP構造を使用する急峻メサPNDのBV 3 kVに対し、3 kV超の高BVと低リーク電流を誘起できることが示されました。技術計算機支援設計（TCAD）を用いたシミュレーションでさらに調査が行われました。ベベルメサを持つ垂直GaN PND（図6b）では、最大電界はp-GaNのアクセプター濃度N_A、n⁻-GaNドリフト層のドナー濃度N_D、ベベルメサのθによって決まります。理論分析とシミュレーションにより、より小さいθがより高いE_pp（平行平面降伏電界）をもたらす可能性があります。同時に、固定θのベベルメサに対して、軽くドープされたp-GaNが高BV達成に有益です。θ = 10°を例に取ると、実験結果がこれらの知見を支持します。2.86 MV/cmの平行平面降伏電界が達成され、この結果はシミュレーションと整合しています[77]。

PND構造の概略断面：a ベベルメサとFP構造；b N_A、N_D、θを変数としてシミュレーションしたPNDエピタキシャル構造[76, 77]

FP終端と同様に、エッジ終端プロセスではドライエッチングと/または絶縁体（またはパッシベーション膜）が必要です。したがって、ドライエッチングによるダメージを考慮する必要があり、高逆リーク電流、さらには早期降伏を引き起こす可能性があります。同時に、エッチング装置には高精度が要求され、エッチング深さの制御は困難です。また、ダメージの存在は絶縁体とエッチング半導体の間により複雑な界面状態を生成し、デバイス信頼性に影響を与えます。したがって、ダメージの軽減または緩和は避けられない課題です。現在、ウェットエッチングによるダメージ除去機能を持つテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）や、ドライエッチングダメージ修復機能を持つアニーリング後処理など、いくつかのレシピがエッチング表面処理に採用され、性能向上に役立てられています。

イオン処理

イオン注入は、エッジ付近の電界集中を緩和するために用いられてきました。比較的シンプルな終端構造として、GaNデバイスで注入ベース技術が調査され、補償種（O、H、Znなど）や不活性種（Ar、N、He、Krなど）を終端領域に深準位トラップを作成するために使用します[78-82]。最近、垂直GaN PNDでの早期降伏発生を緩和するため、イオン注入終端（N、F、Mg、Hなど）も利用されています。しかし、これらのイオン注入終端のメカニズムは異なります。

垂直GaN SBD[83]に関して、垂直GaN PNDでのN注入は異なるメカニズムを示し、ドナー型欠陥（N空孔とN間隙）を作成してp型ドーパントを補償します。図7a, bに示すようにN注入処理後、p-GaNの伝導度はN注入により減少または消失（絶縁化）します[53]。BVをさらに向上させるため、完全補償層と部分補償層をp-GaNに組み合わせた不完全補償層が提案されました。これによりより高いBVが期待され、メカニズムはシミュレーションで分析されました[84]。実験結果は、部分補償p⁺-GaNを伴うN注入が、順方向特性を損なうことなく1.68 kVのBVを誘起できることを示しています[85]。

a N注入終端を持つPNDの断面図；b 完全補償と部分補償を持つN注入終端[53, 84]

水素プラズマ（H-プラズマ）エッジ終端もp-GaN伝導度を低下させますが、別のメカニズムです。H-プラズマ処理は、p-GaN中のMg-Hの強い結合により、導電性p-GaNを高抵抗性に変換する効果的なパッシベーション法です。N注入と対照的に、H-プラズマ処理は低ダメージ、低温、シンプルな操作という理由で垂直GaN PNDに適しています。図8aに示すように、PNDはH-プラズマ処理のみで3.0 MV/cmの電界を示しました。同時に、デバイスは比較可能な順方向I–V特性とより低い逆リーク電流を示しました[86]。

a Mgイオン処理によるPND構造の概略図；b H₂プラズマ処理を施したPND[86, 88]

同時に、フッ素（F）イオンも、デバイスが逆バイアス下にあるとき負の固定電荷によりピーク電界を調整する能力を持ちます。しかし、F注入エッジ終端を垂直GaN PINDで実施する場合、厳密な設計と構造最適化が必要です[87]。

N、H、Fイオン注入をエッジ終端とする以外に、Mgイオン注入もICPドライエッチングのダメージに起因する表面/界面状態を変換する代替手段です。最近、新規Mgイオン注入とモートメサを組み合わせて、GaN垂直PNDのドナー型ダメージを補償しました（図8b）。これにより、1.5 kVのBVと0.7 mΩ·cm²の特性オン抵抗が達成されました[88]。

イオン注入終端は、垂直GaN PNDで高BVを達成する効果的な方法です。イオン注入プロセスも比較的シンプルです。しかし、高エネルギーイオン注入時に結晶ダメージが発生します。また、一部のイオン注入終端では結晶ダメージ緩和のために高温でのアニーリング後処理が必要です。長方形プロファイルのイオン注入が追求されるため、注入深さを正確に制御する必要があります。最後に、イオン注入プロセスはシンプルですが、高エネルギーイオンの使用により装置コストが高くなります。

ガードリング

フローティングガードリング（GR）をエッジ終端として用いてBVを向上させることは、垂直GaN PNDにとって効果的な方法です。逆電圧がGRに電圧降下を生じさせ、電界集中を緩和します。同時に、GR製造プロセスは専門的なステップを必要とせず、アノード金属堆積と同期しています。より高いBVのために、FP構造内にGRを持つPNDが製造されました（図9a）。ここでは、GRとアノード部分の間にポリイミドを抵抗デバイスとして配置し、さらなる電圧降下を実現します。この抵抗部分により、最大5.0 kVまで0.2–0.4 kVのBV増分が得られました。通常のGRなしPNDと比較して、抵抗性GRを持つデバイスは、R_on 1.25 mΩ·cm²で類似の順方向I–V特性を示し、BFOM 20 GW/cm²でより低い逆リーク電流を示しました[69]。

a フローティングGR終端を持つ垂直GaN PND構造；b H注入GRを持つPND構造[69, 90]

フローティングGRに加えて、H-プラズマベースのGR構造もエッジ終端形成に適用されました。低ダメージに加えて、H-プラズマの低拡散性はGaNで比較的理想的なプロファイルをもたらす可能性があります[89]。p-GaNへのH-プラズマのパッシベーション効果により、導電性p-GaNが高抵抗性となり、高抵抗性p-GaNリングによってGR構造が形成されます（図9b）。1–2 μmの狭いGR幅と減少する間隔がBV向上に用いられました。様々なリング数のGR構造が測定されました。リング数を変えたPNDは、GRなしのものと比較して、約0.65 mΩ·cm²と理想係数1.65で類似の順方向特性を示しました。より多くのGRがデバイスエッジの電界をさらに緩和するため、測定後にリング数を増やすことでより高いBVを示しました。結果として、PNDは10 GRで1.7 kVのBVと3.43 MV/cmの最高電界を示しました[90]。

GRの欠点は面積利用率が低いことで、GR構造は一般的にアノードよりも大きな面積を必要とします。すると、GRの数が幅や間隔などの設計難易度を上げます。現在、単一垂直GaN PNDでより高いBVのために2種類以上のエッジ終端が採用されています。これらのエッジ終端は通常、比較的シンプルな製造という理由でFP、ベベルメサ、ガードリングを含みます。一方、これらのエッジ終端はイオン処理に関してGaN結晶に外来元素を導入しないという特徴があり、デバイス性能に有益です。しかし、エピタキシャル層の品質は依然として相当な割合を占めています。

Si基板上の垂直GaN PND

現在、垂直GaN-on-GaNデバイスは優れた性能を示しますが、GaN基板の高コストと小径が大規模市場応用を妨げています。Si基板の大規模・低コストというメリットを考慮し、GaN-on-Siデバイスはこの段階でかなりの注目を集めています。

Si基板上の準垂直PNDでは、高品質バッファーが不可欠です。[91]では、図10aに示すように、AlN核生成層と後続成長プロセスを最適化することで、転位密度2.95 × 10⁸ cm⁻²、電子移動度720 cm²/V·sのGaNドリフト層が得られました。FP構造により、デバイスはR_on 0.33 mΩ·cm²で820 VのBVを持ちます。

a FPを持つ準垂直PIND；b 導電性Si基板上の薄いAlNとSLS超格子構造による完全垂直PND；c 背面トレンチオーミックコンタクトを持つPND；d レイヤー転写技術で製造されたPND[91-94]

材料ミスマッチの課題に加えて、導電性バッファー層とSi基板はSi基板上の完全垂直PNDにとって基本的です。図10bでは、n⁺-type Si基板が最初に垂直PNDのカソードとして利用されました。その後、Siドープ薄AlN層とGaN/AlN歪み超格子層がデバイス性能促進のために採用されました[92]。Si基板上の垂直PNDはFPを用いて提案され、1.5 μmドリフト層で288 VのBVが確認されました。さらに、5.7 μmドリフト層を持つSi上PNDで720 Vのより高いBVが図10cで報告されています[93]。導電性Si基板法とは異なり、背面カソードオーミックコンタクトは、通常Si基板とバッファー層の選択的除去によりn⁺-GaN層に達するトレンチによって作られました。

導電性Si基板と背面トレンチオーミックコンタクトに加えて、基板除去技術はSi基板上の垂直GaN PND製造の代替手段です。図10dでは、レイヤー転写技術がSi基板上の垂直PIND処理に使用されました。Si基板除去、転写、n電極、側壁パッシベーション後、デバイスは3.3 mΩ·cm²の低R_onと350 VのBVを示しました[94]。PINDの37.0 MV/cm²の高BFOM値は、基板除去技術がSi基板上のGaNベースPIND製造に効果的な方法であることを示しています。他の技術と比較して、しかし、基板除去部分ではより複雑な製造プロセスとより高い生産コストが解決すべき問題です。

代替技術ルートとして、Si基板上のPNDは準垂直または垂直デバイス構造で製造されます。Si基板とGaNエピタキシャルスタック間の実質的な材料ミスマッチを緩和するため、より効果的なエピタキシャル技術を調査する必要があります。より高いBVのためには、より厚いドリフト層も不可欠です。この事実は、Si基板上のドリフト層厚が約5 μmであるため、調査すべきもう一つの重要な課題を提示します。

将来の課題と結論

垂直PNDは、高電流（> 100 A）と高電圧（> 600 V）を同時に得るために不可欠であり、電気自動車や再生可能エネルギー処理など、いくつかの応用要件を満たせます。大きな進歩にもかかわらず、垂直GaN PNDの応用にはコストと技術的制限などの障壁がいくつか残っています。

FS-GaN基板については、一般的なMOCVDで低スレッディング転位を持つ高エピタキシャル品質が達成されています。FS-GaN基板の小サイズと高コストは、垂直GaN PNDの応用を狭い範囲に制限し、小サイズはGaN価格を押し上げます。商用GaN基板は2インチのみで、4–6インチSiCと8–12インチSi基板よりもはるかに小さいです。垂直GaN PNDの主要課題は、特に高正孔濃度の高品質p-GaN層の実現です。最近、熱酸化またはスパッタリングで合成されたNiO_xでp-GaNを置き換える新規PNDが提案され、垂直PNDのp-GaN置き換えとGaN SBDのガードリングとして優れた性能も示されています[95-98]。

最も有望なパワーデバイスの一つとして垂直GaN PNDを本研究でレビューし要約しました。垂直GaN PNDの最近の進歩、異なる材料（SiC対GaN）と異なるデバイス構造（SBD対PND）の比較、材料エピタキシャル成長とエッジ終端技術（FP、メサ、イオン注入、GRエッジ終端）について議論しました。様々な技術によるR_on対BVの値を図11にプロットしました。エピタキシャル技術に加えて、エッジ終端技術は現段階で垂直GaN PNDが高デバイス性能を達成する上で重要な役割を果たします。デバイス性能の面で大きな進歩があるにもかかわらず、垂直GaN PNDの優位性は依然として十分に活用されていません。垂直GaN PNDの特性は、デバイス構造とエピタキシャル品質の最適化により今後の研究で向上させられるでしょう。その後、成熟したエッジ終端とエピタキシャル技術により、商用化された垂直GaN PNDが近い将来利用可能になるでしょう。

準垂直または完全垂直GaN PNDのR_on対BVベンチマーク

データと材料の利用可能性

現在の研究で使用または分析されたデータセットは、合理的な要請に基づき責任著者から入手可能です。

略語

GaN:

窒化ガリウム

SiC:

炭化ケイ素

PND:

PN接合ダイオード

PIND:

P-i-N接合ダイオード

SBD:

ショットキーバリアダイオード

IGBT:

絶縁ゲートバイポーラトランジスタ

BJT:

バイポーラ接合トランジスタ

MOSFET:

金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ

BFOM:

バリガーの優良指数

HFET:

ヘテロ構造電界効果トランジスタ

JFET:

接合型電界効果トランジスタ

2DEG:

二次元電子ガス

BV:

耐圧

FS:

フリースタンディング

MOCVD:

金属有機化学気相成長

MBE:

分子線エピタキシー

JBS:

接合バリアショットキー

MPS:

マージドPNショットキー

LED:

発光ダイオード

HVPE:

水素化物気相エピタキシー

FP:

フィールドプレート

TD:

スレッディング転位

MOVPE:

金属有機気相エピタキシー

HEMT:

高電子移動度トランジスタ

UHPA:

超高圧アニーリング

GR:

ガードリング

ICP:

誘導結合プラズマ

TCAD:

技術計算機支援設計

TMAH:

テトラメチルアンモニウムヒドロキシド