推进垂直GaN二极管的发展

原生衬底上生长的垂直GaN p-i-n二极管有很多优点，包括结构简单、漏电流低、击穿电压高。

因缺乏代工工艺，垂直GaN p-i-n二极管的大批量生产受到阻碍，但尽管如此，范德堡大学、美国海军研究生院、美国海军研究实验室、桑迪亚国家实验室之间的合作正在这方面取得进展。

该美国团队正在研究一种与代工厂兼容的平面工艺，通过管理阳极扩展区的剂量来控制电场并防止电流拥挤。先前的研究工作报告了剂量与阳极厚度之间的关系，在此基础上，研究人员目前在揭示剂量与阳极掺杂水平之间的关系。

谈及研究结果，范德堡大学的Mona Ebrish表示：“阳极掺杂适中的器件性能最好，我们的TCAD模拟揭示了实验结果背后的一些原因。”

她认为，所采用的实验分析与模拟相结合的方法可以推广到其他器件设计中。

这项研究的一大亮点是，在不同温度下，研究团队在其中一个二极管中记录到雪崩击穿现象，表明这是一个非破坏性过程。

研究人员还发现，电流随温度升高而增加，导致击穿电压升高。据Mona Ebrish称，该特性表明器件中的电场管理非常成功，是所有p-i-n二极管都不具备的优点：“通常情况下，器件要么对温度升高没有反应，要么会出现电流激增和烧毁现象，即破坏性击穿。”

研究团队将非均质GaN衬底装入MOCVD反应器，然后生长出500 nm厚的阳极层，镁掺杂水平分别为5 x 10¹⁷ cm^-3、1 x 10¹⁸ cm^-3或2 x 10¹⁹ cm^-3，进而生产出垂直GaN p-i-n二极管。三种样品都有一个8 µm厚、掺杂浓度为1^-2 x 10¹⁶ cm^-3的轻度掺杂漂移层，900 °C的热退火可激活阳极掺杂剂。

为了从外延片中形成器件，研究团队采用了边缘终止工艺，包括：在距阳极边缘约140 nm处蚀刻出1 µm深的沟槽；使用三种能量不同、总深度为650 nm的箱形氮植入物；使用氮植入物确定结终止扩展和保护环（器件结构见图）。为了完成二极管的制造，研究团队为p-GaN阳极添加了Pd/Pt/Au叠层，为阴极添加了Ti/Al/Ni/Au叠层。

尽管漂移层厚度、掺杂水平、边缘终止工艺完全相同，但对三种器件进行电学测量后发现，它们在击穿电压和漏电流上存在显著差异。1.2 kV时，阳极掺杂量为1 x 10¹⁸ cm^-3的样品出现剧烈击穿，意味着阳极扩展区具有出色的电场管理能力。研究人员认为，其他两个器件没有表现出相同的击穿行为，是因为阳极扩展区的电荷没有完全耗尽，而剩余电荷导致了过早击穿。

研究团队还进行了雪崩测试，包括在25 ℃、100 ℃、150 ℃、200 ℃的温度条件下进行随温度变化的反向扫频。研究人员发现，掺杂水平为5 x 10¹⁷ cm^-3和2 x 10¹⁹ cm^-3的器件难以发生雪崩，原因是漏电流高，且随温度变化的趋势不一致；掺杂水平为1 x 10¹⁸ cm^-3的p-i-n二极管则发生了雪崩，温度每升高50 ℃，击穿电压就增加10 V。

Mona Ebrish表示，优化离子注入工艺可以进一步提高器件性能。“我们还在对额定电压更高（如3 kV或6 kV）的GaN p-i-n二极管的相同工艺进行评估。”

参考文献

M. Ebrish et al. Appl. Phys. Express. 16 116501 (2023)