10月12日，《Applied Physics Letters》刊登了日本名古屋大學的一篇論文，文章提到，他們採用一種新的外延生長方法，成功製造了垂直氮化鎵p + n結二極體，其擊穿電壓接近理想值，而且生長速度提高了15倍。
該研究獲得了日本文部科學省電力電子創新核心技術創造計劃的支援。
3大難題：
太慢、雜質、p-GaN
根據《2021第三代半導體調研白皮書》，目前主流的氮化鎵功率器件以橫向HEMT器件為主，但GaN HEMT很難在高電壓下可靠工作，因為其電流崩塌現象會嚴重影響器件的效能、長期穩定性和可靠性。
垂直與橫向結構對比
為了使氮化鎵器件滿足650V以上電壓需求，氮化鎵業界正在努力開發垂直結構器件，不過進展相對緩慢，除了缺乏自支撐氮化鎵襯底外，其外延生長也面臨許多挑戰。
垂直與橫向氮化鎵器件電壓對比
首先，金屬有機氣相外延 (MOVPE) 並不適用於製造GaN功率器件。因為要提高垂直氮化鎵器件的擊穿電壓，通常需要生長摻雜濃度小於1016cm-3的厚漂移層。而MOVPE生長的GaN 層含有濃度為1015–1016cm-3的殘留碳雜質，而為了降低摻雜濃度，MOVPE生長速率必須低至2-4μm/h，因此不適合採用MOVPE去生長厚GaN漂移層。
其次，傳統的鹵化物氣相外延 (HVPE) 也不適合用於製造GaN功率器件。這種方法會在GaN層中摻入了殘留Si和O等雜質，並且難以製造p型氮化鎵層，而且HVPE還不能製造垂直GaN PND。
第三，混合HVPE也不適製造垂直GaN PND。目前有人試圖透過HVPE和MOVPE分別生長n型和p型 GaN 層，但這種方法也有問題，其再生長介面通常含有高濃度的Si雜質，會嚴重影響p-n二極體的電效能，比如增強區域性電場，導致高洩漏電流和器件過早損壞。
名古屋方法：
速度提升150%，擊穿電壓達到理想值
名古屋大學認為，製造垂直GaN二極體最理想的方式還是HVPE，因為其生長速率高於100μm/h，非常適用於生長低摻雜濃度的厚GaN漂移層，而且在p-n介面不會有Si汙染，還可以連續生長p型GaN層。
最近，名古屋大學就建立了一種新的p型GaN層的HVPE生長方法，使得製造沒有Si汙染的垂直GaN PND成為可能。
據測量，該垂直GaN PND的臨界電場的擊穿電壓Nnet 值為2.3 × 1016 cm-3，在NPT條件下，實現了GaN p+-n結的理想擊穿值。
同時，該垂直GaN PND的最小理想因子n約為1.6，與MOVPE生長器件相似，低於HVPE、MOVPE混合生長的器件。名古屋大學表示，獲得這個n值是因為連續HVPE生長可以抑制p+-n介面處的Si雜質。
名古屋大學是如何做到的？
第一步，該器件採用了n型GaN自支撐襯底，其穿透位錯密度為1.7×106cm-2，載流子濃度為1.5×1018cm-3。
第二步，在n+型GaN自支撐襯底上生長大約200nm厚的n+型GaN層。
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第三步，生長15μm厚的n型GaN漂移層，Si雜質為3×1016cm-3。n型GaN漂移層的生長速率設定為30μm/h。Ga前驅體使用了GaCl，N前驅體採用NH3，Si摻雜使用SiCl4 。
第四步，生長了大約300 nm厚的Mg 摻雜GaN層，Mg濃度為2×1019cm-3。為了將生長速率設定為大約3μm/h，要將Ga熔體中的輸入HCl氣體的流速降低到4 sccm。
第五步，連續生長大約20 nm厚的重Mg摻雜接觸層，Mg摻雜源採用了MgO。在整個HVPE 生長過程中，生長溫度和壓力分別保持在1050 °C 和1 atm。
第六步，製作電極。先蝕刻形成垂直深檯面結構，蝕刻深度為10 μm，檯面直徑為340μm。為了啟用Mg受體，原型在氮氣環境中在 700 °C下退火5分鐘。
陽極採用Ni/Au在p+型接觸層上進行合金化，陰極採用鋁在自支撐n+型GaN襯底背面形成，側壁採用塗覆3μm厚的聚醯亞胺進行鈍化。
不過，名古屋大學也坦言，儘管他們採用HVPE生長的垂直 GaN PND 具有理想的雪崩能力，但是反向漏電流高於由MOVPE生長的類似器件，需要進一步研究反向洩漏的起源，以及抑制方法。
