在硅基氮化镓二极管中实现雪崩

由于外延层中的位错密度较低，具有800 V以上阻断能力的硅基氮化镓二极管能够发生雪崩行为

上图：利用伪垂直硅基氮化镓二极管实现雪崩能力

里尔大学和世创（Siltronic）的工程师们合作生产出了首批具有雪崩能力的硅基氮化镓二极管，据称有了新的突破。该团队的垂直器件具有雪崩能力，结合了宽禁带半导体的高性能与大直径硅衬底的低成本。

雪崩能力的优点包括提供系统级安全裕度，以及在接近击穿时安全运行，进而提供使用相对较小器件的机会。

里尔大学的团队发言Youssef Hamdaoui解释说：“由于栅极附近的峰值电场，横向GaN HEMT无法提供雪崩功能。”他补充说，一个后果是，横向器件的安全工作电压通常比硬击穿电压低得多。“这一电压降额导致栅极-漏极距离变大，因此器件尺寸也会变大。”

此研究是Youssef Hamdaoui及其同事近期开展的，在此之前，具有雪崩能力的氮化镓器件一直局限于：原生衬底（价格昂贵），以及蓝宝石衬底（受制于低散热）。

Youssef Hamdaoui认为，研究团队的成功将在宽禁带电力电子领域引起一些关注，因为在硅上生长氮化镓会导致位错密度较高，而高位错密度被认为会阻碍雪崩能力。

该团队的外延片是在世创生长的，使用了可容纳150mm晶圆的工业级MOCVD反应器。

Youssef Hamdaoui表示：“使用经改造的特定缓冲层，材料品质得到了提高，因为这一缓冲层有助于过滤位错密度。”并补充道，今年晚些时候会公布此方法的具体细节。

要制造这类二极管，首先要在MOCVD反应器中装入一个150mm的硅衬底，然后沉积一个专有的缓冲堆，接着是一层800nm厚的n⁺ GaN层、一层4.5µm厚的n型GaN漂移层、一层700nm厚的p型GaN层。

利用等离子体增强CVD沉积二氧化硅层，通过反应离子蚀刻对其进行图案化，并采用了电感耦合等离子体工艺，为台面蚀刻创建硬掩膜。工程师们对外延结构进行深入蚀刻，直至蚀刻到n⁺ GaN层，并形成75°角的侧壁，从而扩散器件边缘的电场，使其范围大于漂移区的厚度。通过这种方法，可以管理阳极电极周围的电场。

为了完成二极管的制造，Youssef Hamdaoui及其同事添加了n型和p型接触（更多器件细节见图）。

对阳极直径为30 µm、顶部台面直径为70µm的二极管进行正向特性测量，结果显示，阈值电压为4.5 V，差分导通电阻低于0.35 mΩ cm²。据工程师介绍，通过优化p型欧姆接触，可以实现更低的阈值电压。

对反向特性的研究表明，其阻断能力超过800 V，对应的临界峰值电场约为2.3 MV/cm。

通过研究不同温度下电流密度随电压变化的反向特性，研究团队确定，在较高的反向偏压下，载流子会以高能量流经特定路径，使额外的电荷载流子得以积累。据称这会导致冲击电离，从而使雪崩能力成为可能。研究团队还观察到，击穿电压随温度升高而增加。据称，这是雪崩能力的有力证明。

Youssef Hamdaoui及其同事正计划继续优化他们的垂直硅基氮化镓器件。短期目标是生产出具有雪崩击穿能力的1200 V级二极管。展望未来，他们的目标是基于优化后的材料系统，开发垂直晶体管，如沟槽MOSFET。

参考文献

Y. Hamdaoui et al. Appl. Phys. Express 17 016503 (2024)