异质外延带来的高位错密度通常是漏电流的噩梦。然而，一项最新的研究通过精细的MOCVD生长控制和独特的拉曼光谱表征方法，给出了令人意外的答案：即便位错密度高出两个数量级，我们依然可以获得极具竞争力的反向漏电表现。本文将深度剖析这一技术路径背后的材料物理机制与电学奥秘。

垂直架构的诱惑与蓝宝石的“原罪”

垂直器件能让电流穿过整个漂移层，这意味我们只需要增加漂移层的厚度就能提高击穿电压，而不必像横向器件那样通过牺牲芯片面积来换取耐压。这里有一个核心指标叫“巴利加优值”（BFOM），它告诉我们，要获得最佳性能，漂移层必须具备均匀的低应力、低位错密度以及精确控制的低n型载流子浓度。

这正是问题的症结所在。

理论上，GaN-on-GaN（在GaN衬底上长GaN）是完美的，晶格匹配，缺陷极少。但现实是，GaN体衬底贵得离谱，且大尺寸制造困难。于是，大家的目光不得不转回成熟、廉价的蓝宝石衬底（Sapphire）。但蓝宝石是“异质”的，在上面生长GaN就像在鹅卵石上砌墙，会产生巨大的内部双轴应力和高达10^10 cm^-2的位错密度。

行业内的共识通常是：异质外延的高位错密度会导致垂直器件的反向漏电流剧增，从而限制其应用。但今天我们要探讨的这项工作，通过精细的MOCVD外延生长工艺，制备了低掺杂（1.4到5.5×10^15cm^-3）的n型GaN层，并制造了准垂直肖特基势垒二极管（SBD）。

最让人兴奋的结论预告是：尽管位错密度依然存在，但其反向漏电流竟然可以和一些最优秀的GaN-on-GaN器件相媲美。这究竟是如何做到的？

外延生长的艺术：如何在“乱石堆”上通过MOCVD构建完美晶格

要理解器件的电学性能，我们必须先回到原子层面，看看这些材料是如何生长出来的。

本次研究采用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，生长压强控制在100Torr。为了解决蓝宝石和GaN之间巨大的晶格失配问题，研究团队并没有直接生长，而是采用了经典的“缓冲层”策略。

1. 首先，在2寸的蓝宝石衬底上，通过Si/N处理工艺生长了一层低温非故意掺杂（nid）GaN缓冲层。这层缓冲层的作用至关重要，它就像是为高楼大厦打下的减震地基，旨在大幅降低穿透位错的密度。
2. 紧接着，是一层高浓度的Si掺杂n+GaN层（浓度约为5×10^18到10^19 cm^-3），这层不仅是生长的过渡，更是未来器件的“底部电极”接触层。
3. 最后，也是最关键的一步，是生长低掺杂的n-GaN漂移层。为了把硅掺杂浓度压低到10^15cm^-3这个量级，硅烷（SiH4）的流量被精确控制在0.05到0.06 sccm之间，生长温度维持在1000°C左右。这个温度的选择非常有讲究：既要最大限度地减少碳杂质的并入（碳会作为受体补偿电子，影响导电性），又要避免因温度过高而产生金字塔状的表面缺陷。

生长完成后，为了验证材料的“成色”，研究人员动用了X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）这两把“照妖镜”。

数据显示，这些样品的晶体质量惊人的一致。通过理论公式推算，刃型位错密度大约在1×10^9cm^-2，而螺型和混合型位错密度约为1.5×10^8cm^-2。这意味着什么？意味着虽然我们用了缓冲层技术，但位错密度相比同质外延（通常在10^6cm^-2量级）依然高出了两个数量级。大约15%的穿透位错属于螺型和混合型，这在后续分析漏电流时是一个关键伏笔。

再看表面形貌，AFM扫描显示所有样品的均方根（RMS）粗糙度都小于0.5nm。在微观尺度下，我们可以清晰地看到原子台阶。更有趣的是，AFM还能帮我们“数”位错：台阶边缘的大坑通常对应螺型或混合型位错，而台阶面上的小坑则对应刃型位错。这些观察结果与XRD推算的数据高度吻合。

拉曼光谱的创新应用：解耦应力与掺杂的“纠缠”

在对材料进行物理表征时，有一个痛点始终困扰着业界：如何无损、快速地检测GaN层中的载流子浓度和应力分布？

拉曼光谱（RamanSpectroscopy）是一个强大的工具，但在GaN应用中存在一个著名的“干扰项”。GaN有两种主要的声子模式会引起拉曼峰的位移：E2(high) 模式和 A1(LO) 模式。

通常，大家认为E2(high)峰主要受双轴应力影响（受压蓝移，受拉红移），而A1(LO)峰则与自由载流子浓度耦合（浓度越高，峰位正移且强度降低）。

但在低掺杂且存在应力的GaN-on-Sapphire外延层中，事情变复杂了。A1(LO) 峰不仅对载流子浓度敏感，它同时也受应力的影响！这就好比你用一个体重秤，它既测你的体重也测你衣服的重量，最后你很难分清自己到底胖没胖。在双轴应力存在的情况下，应力导致的 A1(LO) 峰位移很可能会掩盖或混淆由载流子浓度变化引起的位移。

为了解决这个问题，本文提出了一种巧妙的线性解耦方法。

1. 建立数学模型：研究人员首先确认，对于低掺杂GaN，E2(high) 峰几乎不受载流子浓度影响，只随应力变化。而 A1(LO) 峰则是应力和载流子浓度的线性叠加。
2. 消除应力项：通过推导，可以将 A1(LO) 的峰位表示为 E2(high) 峰位的线性函数，再加上一个仅与载流子浓度相关的截距项。
3. 数据验证：通过对不同直径（80μm 到 308μm）的台面（Mesa）进行拉曼扫描，研究人员绘制了 A1(LO) 峰位与 E2(high) 峰位的散点图。

结果令人印象深刻：绝大多数数据点都紧密地落在一条直线上！这条直线的斜率（约0.8）与理论上的声子形变电势比值高度吻合。

这一发现说明了两个重要事实：

第一，我们成功地把“应力”这个干扰因子剔除掉了。

第二，既然大部分数据点都落在同一条直线上（截距不变），说明整个晶圆上的n型掺杂浓度是非常均匀的。C-V测试的结果（浓度分布在很窄的范围内）也进一步证实了拉曼光谱分析的准确性。

这种方法为工业界提供了一个极具价值的思路：在不破坏样品的前提下，利用拉曼光谱就可以快速监控外延片的掺杂均匀性，而不必担心蓝宝石衬底带来的应力干扰。

从微观缺陷到宏观电学：谁才是漏电的真凶？

材料表征只是前菜，真正的考验在于器件的电学性能。研究团队在这些外延层上制作了准垂直SBD，并进行了详细的IV测试。

正向特性：均匀性背后的隐忧

在正向偏压下，二极管表现出了良好的整流特性。通过热电子发射模型拟合，提取出的理想因子（n）约为1.4，肖特基势垒高度（ΦB）约为0.85 eV。大多数器件的参数随台面尺寸变化不大，再次印证了材料的均匀性。

然而，差异出现在了比导通电阻（Ron,sp）和开启电压（Vth）上。不同样品的 Ron,sp 从10 mΩ·cm2到20mΩ·cm2 不等。既然TLM测试表明接触电阻和n+层的电阻都差不多，那么这种差异只能主要归咎于漂移层本身的性质。

反向特性：打破常规的低漏电

这是本研究最反直觉的部分。通常认为，蓝宝石衬底上高达10^8cm^-2级别的螺型和混合型位错，会充当漏电通道，导致反向漏电流激增。

但实测数据显示，大多数二极管在-100V的反向电压下，漏电流密度竟然低于0.5mA/cm2。这个数值不仅远低于通常的预期，甚至可以与那些生长在昂贵GaN体衬底上的同类器件（位错密度仅 10^6 cm^-2）相提并论。

这似乎推翻了“高位错=高漏电”的粗暴结论。或者更严谨地说，并不是所有的位错都会致命地贡献漏电流。研究团队推测，那些真正对反向漏电有害的特定位错密度，实际上可能远低于XRD和AFM测得的总位错密度。

追凶：特殊的表面缺陷

如果大面积的背景位错不是主要杀手，那为什么仍有部分器件表现出较差的电学性能？扫描电子显微镜（SEM）给出了线索。

研究人员在那些性能异常的台面（Mesa A 和 Mesa B）上发现了明显的表面缺陷：

• 聚集体（Aggregates）：直径小于5微米的小颗粒团簇。

• 孔洞（Holes）：直径小于2微米的深坑。

通过将SEM图像与拉曼成像图重叠，研究发现了一个惊人的现象：在这些宏观缺陷（特别是大尺寸的孔洞和聚集体）周围，A1(LO) 峰出现了剧烈的异常偏移。这暗示着缺陷周围存在极高浓度的电子聚集，或者说是局部的载流子浓度极不均匀。

凡是包含这些“致命缺陷”的二极管，在反向电压仅为 -1V 时就迅速达到了电流上限，表现为严重的漏电。而那些表面干净、或者只有普通位错坑的区域，器件性能则非常坚挺。

这为我们揭示了一个重要的制造良率逻辑：相比于看不见的晶格位错，看得见的宏观表面缺陷（如MOCVD生长过程中产生的颗粒或孔洞）才是导致器件早期失效的罪魁祸首。这些缺陷不仅大大增加了漏电流，还显著恶化了导通电阻和开启电压。

击穿电压与巴利加优值的思考

最后，我们来看看硬击穿测试。这些未加边缘终端保护的二极管，其击穿电压分布在180V到270V之间。失效点通常位于肖特基接触的边缘，这是符合预期的，因为那是电场最集中的地方。

通过计算巴利加优值（BFOM），这些基于蓝宝石衬底的器件性能达到了与同类型GaN-on-GaN器件相当的水平。这意味着，对于特定的应用场景（特别是对成本敏感的应用），我们完全可以用蓝宝石衬底来替代昂贵的GaN体衬底，前提是我们能控制好MOCVD生长过程中的表面宏观缺陷。

成本与性能的平衡艺术

这项研究给我们带来的最大启示在于，它打破了我们对异质外延的刻板印象。

第一，位错密度并不是唯一的判官。即便在蓝宝石上生长出10^8cm^-2 密度的位错，只要控制好掺杂的均匀性，依然可以制造出漏电流极低的优秀SBD。

第二，工艺控制重于材料完美度。那些微米级的表面孔洞和聚集体，比原子级的位错更可怕。这指引了未来的工艺改进方向：优化MOCVD反应室环境，减少颗粒污染，优化成核生长以避免大孔洞的形成。

第三，表征手段的进化。利用解耦应力的拉曼光谱技术，可以在产线上实现非破坏性的质量监控，这对于大规模量产至关重要。

在功率半导体降本增效的道路上，GaN-on-Sapphire 再次证明了其顽强的生命力。它告诉我们，追求完美的晶体质量固然重要，但通过深入理解物理机制来容忍缺陷、驾驭缺陷，或许是一条更具商业智慧的捷径。

材料科学往往是在偏见中前行。长期以来，蓝宝石衬底因其“出身”问题，在功率器件领域备受冷落。但数据不会撒谎，当我们剥离掉普通位错的“噪音”，精准定位到真正的致命缺陷时，一条通往高性能、低成本垂直GaN器件的道路已然清晰。

对于国产功率半导体产业而言，在缺乏高质量GaN体衬底的当下，深挖蓝宝石衬底的潜力，或许是一条值得重仓的超车道。对于正在观望GaN技术路线的工程师和投资人来说，这或许是一个重新评估蓝宝石基底潜力的时刻。

来源：芯氮鎵速记

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