双势垒阳极结构实现0.36 V导通电压时10 kV击穿电压的横向GaN肖特基势垒二极管

来自南京大学的南京大学陈鹏/张荣团队，通过从分析肖特基势垒的耗尽机制出发设计制备了双势垒阳极结构AlGaN/GaN SBD，提出了由具有高功函数（铂Pt，5.65 eV）和低功函数（钽Ta，4.25 eV）组成的双势垒阳极（DBA）结构，成功制备了击穿电压超过10 kV同时具有0.36 V低开启电压的高性能GaN基SBD器件，这项研究工作及其前期系列工作，进一步展示了GaN基功率电子器件在超高压领域的应用潜力，并提供了一种实现低损耗/高效率的功率传输行之有效的方法【1,2】。

Ⅲ族氮化物是典型的宽禁带半导体材料，尤其是AlGaN/GaN结构可以产生具有高电子浓度（~1×10¹³ cm^-2）和高电子迁移率（~2000 cm²/V·s）的二维电子气（2-DEG）。结合GaN的高临界电场（~3.3 MV/cm），基于AlGaN/GaN的功率电子器件可以具有更快的开关速度、更低的导通电阻和更高的击穿电压。它们在消费类电子产品、汽车电子、新能源、工业电机甚至超高压（UHV，>10 kV）电子领域都有广泛的潜在应用。其中功率肖特基势垒二极管（SBD）尤为重要，是功率转换系统中的核心器件之一。当前发展GaN功率SBD的核心问题之一是研制出超低损耗/超大功率器件，这涉及到有效降低GaN SBD器件开启电压（V_on）和大幅提升击穿电压（BV），以及低导通电阻（R_on）与低漏电流（I_leakage），这些对于高性能的AlGaN/GaN功率SBD至关重要。近年来有大量AlGaN/GaN SBD报告，其V_on分别为0.2 V~0.8 V，BV分别为0.13 kV~10.0 kV。然而V_on、I_leakage和BV主要由肖特基接触决定，同时改善这三个参数是一项巨大的挑战。

该团队通过研究GaN SBD的击穿机制，漏电流输运机制以及肖特基势垒的耗尽机制，从降低和优化器件反偏时的表面电场，和阳极结构以及衬底材料的角度出发来研制超高压的GaN SBD，包括先前工作报告Si衬底上的具有场效应板的2.7-kV和3.4-kV AlGaN/GaN SBD【3,4】。通过使用在蓝宝石衬底上生长的高质量GaN材料，报告了具有>10 kV BV的高性能AlGaN/GaN SBD【5,6】。

△ 图1. (a) 基于双势垒阳极结构制备的SBD器件结构；(b) 器件正向I-V曲线；(c) 器件反向I-V曲线；(d) 器件开启电压和击穿电压与同类器件的对比。

此次该团队创新地结合了高/低功函数这两种金属的特性，并将它们排列成交替的齿状图案（图1a）。器件在正向工作时的开启电压主要由低功函数的金属Ta决定，而器件在反向工作时的漏电和击穿主要由金属Pt决定，最终制备的蓝宝石衬底AlGaN/GaN SBD的开启电压V_on为0.36 V（图1b），有效降低了开启电压，比传统Pt电极结构器件的开启电压降低了约50%，同时保持了不低于10 kV的反向击穿电压（图1c，d），器件的P-FOM达到4.0 GW/cm²。

该团队工作的亮点之一是验证了双势垒阳极结构对于提升超高压GaN基SBD器件性能的有效性，基于此结构进行的器件制备技术为拓展GaN电力电子器件到更高压领域的应用提供了一个范例。

该团队表示，未来相关研究将致力于进一步显著降低器件的正向导通电阻和反向漏电、提升器件的动态性能，实现近理论极限的低开启、高耐压、大电流、高效率的GaN基SBD器件。

参考文献：

[1] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et.al, “A lateral AlGaN/GaN Schottky barrier diode with 0.36-V turn-on voltage and 10-kV breakdown voltage by using double barrier anode structure”, Chip, 3, 100079 (2024). (Journal article).

[2] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et.al, “A Lateral AlGaN/GaN Schottky Barrier Diode with 0.36 V Turn-on Voltage and 10 kV Breakdown Voltage by Using Double Barrier Anode Structure”, arXiv. 2206.07881, (2022) (Web publication)

[3] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et.al, “2.7-kV AlGaN/GaN Schottky barrier diode on silicon substrate with recessed-anode structure”, Solid State Electronics, 175, 107953 (2021). (Journal article).

[4] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et.al, “3.4-kV AlGaN/GaN Schottky barrier diode on silicon substrate with engineered anode structure”, IEEE Electron Device Lett, 42, 208-211 (2021). (Journal article).

[5] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et.al, “High power Figure-of-Merit, 10.6-kV AlGaN/GaN lateral Schottky barrier diode with single channel and sub-100-μm anode-to-cathode spacing”, arXiv.2108.06679, (2021) (Web publication)

[6] R. Xu, P. Chen, R. Zhang, et al, “High power Figure-of-Merit, 10.6-kV AlGaN/GaN lateral Schottky barrier diode with single channel and sub-100-μm anode-to-cathode spacing”, Small, 18, 2270199 (2022). (Journal article).