徐嘉悅，王茂俊，魏進，解冰，郝一龍，沈波

（1.北京大學集成電路學院，北京 100871；2.集成電路高精尖創(chuàng)新中心，北京 100871；3.北京大學物理學院，北京 100871）

1 引言

目前，以傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅（Si）為主要材料的半導(dǎo)體器件仍然主導(dǎo)著電力電子功率元件。但現(xiàn)有的硅基功率電子技術(shù)正接近材料的理論極限，其只能提供漸進式的改進，無法滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對耐高壓、耐高溫、高頻率、高功率乃至抗輻照等特殊條件的需求[1]。因此，人們開始尋求新的半導(dǎo)體材料來滿足這些需要，期盼突破傳統(tǒng)硅的理論極限。氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）等第三代半導(dǎo)體材料因具有寬禁帶、高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度等特點，成為目前功率電子材料與器件研究的熱點。與傳統(tǒng)的第一代及第二代半導(dǎo)體相比，第三代半導(dǎo)體材料所制備的器件具有擊穿電壓高、輸出電流大、導(dǎo)熱性優(yōu)異等優(yōu)點。在相同的耐壓下，可以具有更低的比導(dǎo)通電阻[2]。最先得到快速發(fā)展的GaN功率電子器件是高電子遷移率晶體管（HEMT）。該器件是一種橫向結(jié)構(gòu)器件，以AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用兩種材料界面上高濃度、高電子遷移率的二維電子氣（2DEG）作為導(dǎo)電溝道。得益于2DEG優(yōu)異的輸運特性，GaN HEMT器件的開關(guān)頻率可以達到兆赫茲，使得GaN HEMT器件在電力電子功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中具備了技術(shù)優(yōu)勢。特別是大尺寸硅襯底上GaN異質(zhì)外延技術(shù)的成功以及互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容工藝的開發(fā)大大降低了硅基GaN HEMT器件的成本[3]。目前，基于GaN HEMT的功率開關(guān)器件已經(jīng)在手機快充中得到廣泛應(yīng)用，并有望進入服務(wù)器電源、汽車電子等高端領(lǐng)域。

盡管HEMT器件在高開關(guān)頻率、小型化電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中取得了成功，但由于結(jié)構(gòu)的特殊性，仍存在很多限制器件性能的因素。首先，GaN HEMT的擊穿電壓與外延層的厚度等因素密切相關(guān)，所以高工作電壓的實現(xiàn)受到硅襯底質(zhì)量的影響；其次，HEMT的導(dǎo)電溝道與材料表面的距離很近，易受表面/界面陷阱態(tài)的影響，器件在工作時存在嚴重的動態(tài)導(dǎo)通電阻增加現(xiàn)象，影響了導(dǎo)通損耗和效率；另外，器件不具備雪崩擊穿能力，一般通過增加器件耐壓冗余度來避免電壓過沖條件下的器件擊穿，未能充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢。與橫向結(jié)構(gòu)器件相比，垂直結(jié)構(gòu)器件擁有更多的優(yōu)勢：（1）電流通道在體內(nèi)，不易受器件表面陷阱態(tài)的影響，動態(tài)特性較為穩(wěn)定；（2）垂直結(jié)構(gòu)器件可在不增加器件面積的前提下通過增加漂移區(qū)厚度直接提升耐壓[4]，因此與橫向結(jié)構(gòu)相比更易于實現(xiàn)高的擊穿電壓；（3）電流導(dǎo)通路徑的面積大，可以承受較高的電流密度；（4）由于電流在器件內(nèi)部更為均勻，器件的熱穩(wěn)定性佳[5]；（5）垂直結(jié)構(gòu)器件易于實現(xiàn)雪崩特性，在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。早期，由于缺乏高質(zhì)量的GaN自支撐襯底，人們往往在硅、藍寶石襯底上生長GaN厚膜外延層，制備準垂直結(jié)構(gòu)器件。但是，在GaN厚膜外延生長的過程中，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配等原因會引入大量不可避免的位錯。這些位錯是引起GaN功率器件漏電、限制器件耐壓的主導(dǎo)因素[6]。近年來，隨著大尺寸、低缺陷密度GaN自支撐襯底的不斷成熟[7]，GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件的研發(fā)得以取得長足的進步，為突破橫向結(jié)構(gòu)HEMT器件在高壓領(lǐng)域的局限性提供了可能性[8]。

目前，GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的實驗室性能已經(jīng)取得重要突破，報道的器件耐壓超過6 kV，輸出電流達到幾百安培。最近，美國Odyssey公司宣布即將完成650 V以及1200 V兩種耐壓等級GaN垂直結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）器件的產(chǎn)品化開發(fā)，說明垂直結(jié)構(gòu)GaN功率電子器件已經(jīng)做好了邁入市場的前期準備。除了材料生長外，GaN垂直結(jié)構(gòu)器件研究的一個重點是如何設(shè)計并制備適合GaN材料與器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，減小器件邊緣的峰值電場，實現(xiàn)高耐壓，從而充分發(fā)揮GaN寬禁帶的材料優(yōu)勢。本文通過回顧GaN垂直結(jié)構(gòu)肖特基二極管（SBD）和PN結(jié)二極管（PND）這兩種器件的發(fā)展，闡述了常用的GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的結(jié)終端技術(shù)，并對未來的發(fā)展趨勢進行展望。

2 GaN垂直結(jié)構(gòu)二極管及結(jié)終端技術(shù)

SBD和PND是電力電子領(lǐng)域中廣泛使用的兩種整流器件。此外，它們也是半導(dǎo)體器件的基本構(gòu)成部分之一。對SBD和PND相關(guān)器件物理和器件結(jié)構(gòu)的研究除了對整流、續(xù)流、電壓鉗位等應(yīng)用具有重要作用外，對于其他類型的GaN功率電子器件也意義重大。通常情況下，PND在反向偏壓下具有更小的漏電流，但是其開啟電壓高、開關(guān)速度慢、轉(zhuǎn)換損耗高。而SBD則有相對于PN結(jié)構(gòu)更低的開啟電壓，能有效減少器件開關(guān)時的損耗[9]。與傳統(tǒng)PN結(jié)構(gòu)的少子器件不同，SBD是以多子為主的器件，所以不存在少子的積累和反向恢復(fù)問題。此外，GaN體材料中的電子具有較高的載流子遷移率，多子器件沒有擴散電容，GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD具有更快的開關(guān)速率，可以進一步減少器件的開關(guān)損耗。

GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于金半接觸的內(nèi)部，可以通過對一維突變結(jié)進行分析，得到漂移區(qū)縱向的電場分布。

圖1 GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD的結(jié)構(gòu)

當漂移區(qū)未完全耗盡之前，結(jié)邊緣處的最大電場強度Em為：

其中q為電子電量，ND為漂移區(qū)的摻雜濃度，Va為陽極電壓，εS為半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)。但結(jié)的邊緣為一柱面結(jié)，柱面結(jié)的最大電場遠大于平面結(jié)[10]。如果器件圖形采用矩形窗口，在矩形窗口的4個角還會出現(xiàn)球面結(jié)，電場進一步加強，導(dǎo)致漏電增加，限制了器件的擊穿電壓。因此功率器件耐壓提升的關(guān)鍵是如何設(shè)計合適的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，減小結(jié)邊緣的峰值電場。在傳統(tǒng)的硅功率器件中，可以采用多種結(jié)終端結(jié)構(gòu)，包括浮空場限環(huán)、場板、斜角邊緣終端、腐蝕終端、結(jié)終端擴展等[10]。但GaN的材料特性以及器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的Si存在較大差異，特別是GaN材料中的選區(qū)摻雜存在較高難度，高效的離子注入p型摻雜還未能廣泛使用，因此Si器件中常用的結(jié)終端結(jié)構(gòu)難以直接應(yīng)用到GaN垂直結(jié)構(gòu)器件中，需要根據(jù)GaN材料和器件的特點做相應(yīng)改進。

GaN垂直結(jié)構(gòu)器件中結(jié)終端的設(shè)計主要有兩種思路：（1）通過刻蝕等方法，改變主結(jié)邊緣的形狀，通常蝕刻成臺面、直角、曲面等形狀，從而改善表面電場分布和擊穿電壓；（2）在與電極接觸的主結(jié)邊緣引入新的“結(jié)”或者電勢擴展結(jié)構(gòu)，增加耗盡區(qū)的寬度，從而達到平滑電場尖峰、緩解邊緣電場聚集、提高器件擊穿電壓的效果。此思路下又包括兩種不同的方法：一種是在結(jié)的平面（橫向）內(nèi)引入各種“結(jié)”或者電勢擴展結(jié)構(gòu)；另一種是在結(jié)邊緣的下方引入對應(yīng)結(jié)構(gòu)，這往往需要結(jié)合刻蝕等工藝。在實際器件中往往將不同的結(jié)終端技術(shù)進行組合以達到進一步提高器件性能的目的[9]。下面對目前適用于GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的結(jié)終端技術(shù)進行分析，并討論各自的優(yōu)缺點。

2.1 臺面終端

臺面終端是GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件比較常用的邊緣終端技術(shù)之一。一般使用干法蝕刻來選擇性地去除器件邊緣的部分材料來形成不同形狀的臺面[11]。臺面終端可以分為斜臺面終端（正傾角斜臺面、負傾角斜臺面）和直角臺面終端兩種。定義從摻雜濃度高的一側(cè)到摻雜濃度低的一側(cè)結(jié)面積減小則稱為正臺面，反之為負臺面。各種臺面終端如圖2所示。

圖2 GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件中的各種臺面終端

2.1.1 正傾角斜臺面終端

通常來說，對于垂直型的PN結(jié)構(gòu)而言，形成一個正傾角斜臺面（低摻雜區(qū)移除的材料比高摻雜區(qū)移除的材料更多）對于改善器件的性能而言更有意義。這是因為在低摻雜區(qū)移除了更多的材料，將會導(dǎo)致沿刻蝕側(cè)壁的耗盡層寬度增加；p型側(cè)為重摻雜，所以耗盡區(qū)收縮得小。因此正斜角臺面邊緣處的表面耗盡寬度比體內(nèi)的耗盡寬度要寬，器件的表面電場更低，可以避免表面擊穿[10]，正傾角斜臺面結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]，其中θ是正斜面的傾角，Ws為臺面邊緣處的表面耗盡寬度，WB為體內(nèi)的耗盡區(qū)寬度。然而，由于GaN晶體生長過程的限制，p型層中的鎂（Mg）受主在金屬有機化合物化學氣相沉淀（MOCVD）生長后需要經(jīng)過高溫退火脫氫（H）激活。此外，p型GaN中Mg的激活率很低，空穴遷移率也遠小于n型GaN中電子的遷移率。因此，GaN PND中一般采用低摻雜的n型GaN作為漂移區(qū)，且Mg摻雜的p+層一般位于表面，便于激活。因此，經(jīng)過普通的刻蝕工藝后，從p型半導(dǎo)體側(cè)去除的面積比n型半導(dǎo)體側(cè)多，難以實現(xiàn)正傾角斜臺面終端。

圖3 正傾角斜臺面結(jié)構(gòu)

2.1.2 負傾角斜臺面終端

在對GaN PN結(jié)進行刻蝕時由于去除了更多的重摻雜p型區(qū)域，最終得到負傾角斜臺面，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。p型區(qū)中的耗盡區(qū)寬度擴大，n型側(cè)表面則縮小。由于p型一側(cè)為重摻雜，耗盡區(qū)擴大得有限，因此負斜角臺面邊緣處的表面耗盡寬度Ws比體內(nèi)的耗盡寬度WB小。這就表明，該PND的邊緣電場比內(nèi)部電場要大，因而更易產(chǎn)生擊穿。通常認為，負傾角斜臺面不適合作為功率器件的終端結(jié)構(gòu)。

圖4 負傾角斜臺面結(jié)構(gòu)[10]

但是，在極小的傾斜角度和p型GaN低摻雜相結(jié)合的情況下，負臺面也可以起到減少表面電場尖峰的作用[13-14]。緩變摻雜分布結(jié)擴散側(cè)負斜角邊緣終端如圖5所示，當傾角減小時，n型側(cè)表面的耗盡區(qū)寬度逐漸減小，因此耗盡區(qū)的邊界逐漸向PN結(jié)的界面靠近，如圖5中的虛線箭頭所示。當傾角很小時，n型側(cè)耗盡區(qū)的邊界釘扎在PN結(jié)的界面處，此時沿著刻蝕斜面的耗盡區(qū)主要在p型側(cè)[10]。

圖5 緩變摻雜分布結(jié)擴散側(cè)負斜角邊緣終端[10]

根據(jù)圖5所示的模型，在極限情況下，Ws可以表示為：

其中Wp為p型側(cè)體內(nèi)的耗盡區(qū)寬度。外加的電壓在PN結(jié)主結(jié)區(qū)和在斜角面上是一樣的，因此負斜面上的電場強度最大值為：

其中EmB為n型側(cè)（主結(jié)區(qū)）電場強度的最大值，Wn為主結(jié)區(qū)內(nèi)的n型側(cè)體內(nèi)的耗盡寬度。由此可知，極小的負斜角可以起到減小表面電場的效果。日本京都大學的MAEDA等報道了具有負傾角斜臺面終端、基于同質(zhì)外延的GaN PND[13-14]。利用TCAD模擬展示了該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場分布，以此為基礎(chǔ)采用烘烤后的厚光刻膠作為刻蝕掩模，通過刻蝕時的圖形轉(zhuǎn)移制備出小傾角的負臺面器件。對于擊穿電壓為425 V的GaN PND，其內(nèi)部的平面結(jié)擊穿電場強度達到2.86 MV/cm，并且展現(xiàn)出了良好的雪崩特性。此外，他們同時從模擬和實驗兩個角度驗證了二極管內(nèi)部的峰值電場隨刻蝕傾角以及p區(qū)摻雜濃度的降低而降低。當p-GaN中的摻雜濃度較低時，沿側(cè)壁的耗盡區(qū)寬度變大，峰值電場轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，從而降低了器件邊緣的電場聚集效應(yīng)。對于負傾角斜臺面終端來說，除了刻蝕傾角的角度外，刻蝕在臺面表面引入的陷阱態(tài)也是影響PN結(jié)邊緣電場分布的重要參數(shù)，需要整體考慮。斯坦福的ZENG等通過TCAD的模擬計算說明了刻蝕表面懸掛鍵引起的固定電荷以及介質(zhì)鈍化對負傾角斜臺面終端電場調(diào)制效果的影響[15]。利用小的刻蝕傾角，南京大學在藍寶石襯底上的GaN PND中同樣實現(xiàn)了雪崩擊穿，平面結(jié)擊穿電場強度達到2.86 MV/cm[16]。從文獻報道看，基于刻蝕工藝的小負傾角斜臺面結(jié)終端是比較適合于GaN材料和器件的終端之一，可以在GaN PND中實現(xiàn)雪崩擊穿。

2.1.3 直角臺面終端

先前的研究表明，小傾角可以更好地達到平緩電場的作用，并且臺面的角度應(yīng)避免接近直角，否則會導(dǎo)致電場的邊緣非常尖銳[10]，從而致使器件過早發(fā)生擊穿。然而，日本名古屋大學的FUKUSHIMA等的研究結(jié)果表明，如果對臺面進行如圖2（b）所示的深蝕刻，即使傾角接近90°，電場仍然可以比較均勻地分布在整個器件上，其模擬計算結(jié)果如圖6所示[17]。該研究同時比較了淺臺面和深臺面器件的性能差異，發(fā)現(xiàn)具有淺臺面的器件性能并不理想，具有較大的反向漏電流和很低的擊穿電壓。相反，具有深臺面的器件表現(xiàn)出了更優(yōu)異的性能，反向漏電流降低了4個數(shù)量級，擊穿電壓顯著增加，并且具有非破壞性的雪崩擊穿特性[17]。圖6中Na和Nd分別為施主和受主的摻雜濃度。

圖6 基于深刻蝕的GaN垂直結(jié)構(gòu)PND結(jié)構(gòu)及其在不同臺面深度下的模擬電場分布[17]

除了傳統(tǒng)的直角臺面，MUDIYANSELAGE等在研究中探索了“階梯”狀臺面[18]，盡管該結(jié)構(gòu)對于器件的性能提升有限，但是模擬結(jié)果表明，更大的臺階深度和臺階數(shù)量能夠提高器件的擊穿電壓，這和之前負傾角斜臺面的模擬結(jié)果有異曲同工之處。

2.2 基于刻蝕溝槽的終端結(jié)構(gòu)

基于刻蝕溝槽的終端結(jié)構(gòu)依賴于臺面終端，其工藝的特點是刻蝕的角度較大，接近90°，同時在刻蝕溝槽內(nèi)引入了額外的結(jié)。反偏壓下通過結(jié)的耗盡使得器件的主結(jié)與高電場隔離，從而減小主結(jié)邊緣的峰值電場。值得注意的是，此工藝一般用來減小器件內(nèi)部特別是肖特基勢壘二極管內(nèi)部的電場，提升耐壓，在一定程度上超越了結(jié)終端本身的范疇。這對于SBD是尤其重要的，由于鏡像力的作用，肖特基結(jié)的漏電隨著電壓的增加上升得很快，通過刻蝕溝槽和額外的結(jié)可以大大抑制肖特基勢壘二極管面臨的高電場。溝槽內(nèi)引入的結(jié)一般有兩種，分別是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）結(jié)構(gòu)以及PN結(jié)構(gòu)。

基于溝槽MIS結(jié)構(gòu)的器件又稱為溝槽MOS勢壘肖特基二極管（TMBS），在硅基器件中一般采用SiO2作為絕緣層，其橫截面如圖7（a）所示。麻省理工學院的ZHANG等在2016年的IEDM上首先報道了GaN TMBS器件。與沒有終端的器件相比，其反向泄漏電流降低了4個數(shù)量級以上，擊穿電壓從400 V增加到700 V，導(dǎo)通電壓和比導(dǎo)通電阻分別為0.8 V以及2 mΩ·cm2。同時該器件還具有在250℃高溫環(huán)境下工作的能力[19]。雖然TMBS可以提升GaN SBD的耐壓，但由于GaN缺乏硅基器件中高質(zhì)量的SiO2絕緣層，GaN TMBS器件的可靠性特別是介質(zhì)層在高耐壓下的可靠性仍然難以保障，這也成為限制其應(yīng)用的一大因素。ZHANG等通過對溝槽介質(zhì)下方的GaN進行離子注入、引入高阻的保護環(huán)來降低絕緣層中的電場，在一定程度上提升了介質(zhì)的可靠性[19]。如果在刻蝕的溝槽內(nèi)再生長p型材料，則形成結(jié)型肖特基勢壘二極管（JBS）結(jié)構(gòu)，其橫截面如圖7（b）所示。盡管目前選區(qū)p型GaN外延已經(jīng)得到了一些應(yīng)用[20]，但仍然不太成熟。ZHANG等通過向n-GaN中注入Mg以形成p型區(qū)以及向p-GaN中注入Si以形成n型區(qū)這兩種方法制備了JBS結(jié)構(gòu)器件，擊穿電壓均為500～600 V，普通GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD在高反向偏壓下的泄漏電流比其高100倍[21]。中山大學的ZHOU等結(jié)合了混合PN肖特基二極管（MPS）和TMBS的優(yōu)點，實現(xiàn)了一種具有高介質(zhì)可靠性和抗浪涌電流能力的GaN結(jié)型溝槽MIS勢壘肖特基（J-TMBS）二極管[22]。溝槽結(jié)構(gòu)和橫向PN結(jié)可以通過在PN外延結(jié)構(gòu)上選擇性地刻蝕p-GaN，然后再生長n-GaN來實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖7（c）所示。該方法避開了p型GaN的選區(qū)生長，因而能夠在不降低原有GaN基混合PN肖特基二極管反向漏電特性和正向抗浪涌電流能力的情況下，進一步降低比導(dǎo)通電阻。由于本文的重點是介紹結(jié)終端，器件內(nèi)部電場的調(diào)控不再詳述。

圖7 3種勢壘肖特基二極管的橫截面[22]

2.3 場板

場板是調(diào)節(jié)器件結(jié)邊緣電場、提高器件耐壓的重要工藝技術(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。當場板電極與陰極之間為反向偏置時會在其下方引起n型區(qū)的耗盡，等效于橫向展寬了PN結(jié)原有的耗盡層，因此PN結(jié)邊緣柱面結(jié)的電場隨之降低，其抗擊穿的能力有所提高[10]。在實際器件制備過程中，場板通常與陽極之間是短路的，從而減小了工藝復(fù)雜度。

圖8 場板結(jié)構(gòu)[10]

值得一提的是，場板結(jié)構(gòu)通常與臺面終端一起使用?？的螤柎髮W的OZBEK等將場板和臺面終端聯(lián)合使用所制備的GaN PND在3 kV高壓下的反向漏電僅為10-3～10-4A/cm3，功率優(yōu)值高達12.8 GW/cm2[24]。場板屬于平面工藝，因此其在橫向結(jié)構(gòu)的HEMT器件中得到廣泛應(yīng)用。如何設(shè)計合適的場板結(jié)構(gòu)，如場板長度、介質(zhì)厚度等是提高HEMT耐壓的關(guān)鍵。此外，在場板設(shè)計過程中，需要考慮介質(zhì)內(nèi)部的固定電荷以及介質(zhì)與半導(dǎo)體界面的電荷分布，這對場板的電場調(diào)制效果有重要影響。

2.4 基于離子注入的高阻結(jié)終端結(jié)構(gòu)

基于離子注入的高阻結(jié)終端是能夠提升GaN垂直結(jié)構(gòu)器件耐壓的重要結(jié)構(gòu)之一。其原理是利用離子注入過程中的轟擊作用破壞注入?yún)^(qū)的晶格結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生缺陷，從而形成高阻區(qū)。電勢在高阻區(qū)的降落是均勻的，因此高阻結(jié)可以調(diào)控結(jié)周圍的電場。此外，高阻結(jié)終端結(jié)構(gòu)中器件陽極的金屬一般會部分覆蓋離子注入?yún)^(qū)域，也起到一定的場板作用。基于離子注入的高阻結(jié)終端在GaN SBD和PND中都得到了應(yīng)用。

在SiC SBD研究早期，ALOK等就利用氬（Ar）離子注入形成高阻區(qū)來擴展電場的橫向分布，減少主結(jié)周圍的電場集聚，進而提高SiC SBD的耐壓[25]。在GaN領(lǐng)域，OZBEK等最早報道了通過無掩模2×1016cm-2的氬注入來破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，提高材料的電阻率，進而形成高阻區(qū)，成功將GaN SBD的擊穿電壓從300 V提高到1650 V[24]。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所報道，采用氟離子注入結(jié)終端的GaN SBD與沒有氟離子注入的GaN SBD相比，SBD的擊穿電壓從155 V提高到775 V，反向漏電流的降低達到105量級[26]。最近，深圳大學的LIU等人利用氦離子注入形成邊緣終端，將同質(zhì)襯底上GaN SBD的擊穿電壓從862 V提升到1725 V，是已報道的GaN SBD擊穿電壓中較高的數(shù)值之一[27]。

值得一提的是，由于氟離子的特殊性，其在GaN中可以表現(xiàn)出負離子的特性，這在增強型GaN HEMT中已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。在柵下通過氟等離子體處理可以在AlGaN勢壘中引入負電荷，從而耗盡柵下的2DEG溝道，使得HEMT器件由耗盡型轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪娦?。浙江大學的HAN等人通過低劑量的氟離子注入在GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD陽極金屬的邊緣終端區(qū)域中引入負電荷，調(diào)控肖特基主結(jié)邊緣的電場分布，從而緩解陽極邊緣的電場聚集效應(yīng)，成功將肖特基二極管的擊穿電壓提高到800 V[28]。

一般認為離子注入的作用是通過破壞材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、引入深能級缺陷來形成高阻區(qū)。在器件工作過程中，這些深能級陷阱的電荷占據(jù)情況會隨著器件兩端電壓的變化而改變，這無疑會改變器件結(jié)邊緣的電場分布，但國際上還缺乏相應(yīng)的研究。北京大學的YIN等發(fā)現(xiàn)，氟離子注入時高阻結(jié)終端自身的漏電流遵循空間電荷限制電流（SCLC）模型，在此基礎(chǔ)上他們提出了空間電荷誘導(dǎo)電場調(diào)制效應(yīng)，用于解釋高阻結(jié)終端的作用。離子注入?yún)^(qū)本身的耐壓由離子注入?yún)^(qū)中凈受主的面密度決定；離子注入?yún)^(qū)中的深能級陷阱態(tài)捕獲載流子后形成的空間電荷有助于耗盡邊緣終端下方漂移區(qū)中的載流子，并擴展陽極附近的電場分布。在這一概念的指導(dǎo)下，通過1 MeV的高能氟離子注入形成結(jié)終端（HEFIT），將GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD的擊穿電壓從400 V提高到1300 V[29]，器件結(jié)構(gòu)和耐壓測試結(jié)果如圖9所示。圖9中J為電流密度。

圖9 高能氟離子注入的GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD結(jié)構(gòu)和耐壓測試結(jié)果[29]

除了利用離子注入形成高阻外，還可以利用GaN獨特的材料特性在p-GaN中形成高阻區(qū)。其原理是氫原子易于與GaN中的Mg受主形成穩(wěn)定的Mg—H絡(luò)合物，從而使之失去受主活性[30-31]，基于氫等離子體處理形成高阻區(qū)，從而制備出結(jié)終端。氫在GaN技術(shù)中起著非常重要的作用，通常來說，由于氫原子尺寸較小，一定溫度下可以在GaN晶體內(nèi)部擴散，所以被認為是影響GaN器件可靠性的重要原因之一[32]。美國亞利桑那州立大學的FU等人首次將氫等離子體處理應(yīng)用在GaN垂直結(jié)構(gòu)PN功率二極管上，所形成的結(jié)終端被稱為氫等離子體處理結(jié)終端（HPET）。利用普通的電感耦合等離子體（ICP）刻蝕設(shè)備即可實現(xiàn)以上工藝，避免了復(fù)雜的離子注入過程。所制備器件的擊穿電壓達到1.57 kV，正向?qū)妷簽?.5 V，導(dǎo)通電流約為2 kA/cm2[33]，開創(chuàng)了氫等離子體處理作為GaN PN功率二極管結(jié)終端技術(shù)的先河。2022年，斯坦福大學將場板技術(shù)與HPET相結(jié)合，利用旋涂玻璃作為場板介質(zhì)，實現(xiàn)了具有雪崩擊穿能力的GaN PND，器件耐壓達到2.8 kV[34]。

基于高阻的結(jié)終端雖然可以提升器件耐壓，但高阻區(qū)本身存在漏電，因此大面積離子注入結(jié)終端器件在低電壓下的漏電較大。通過將大面積的離子注入?yún)^(qū)用有源區(qū)隔開，形成保護環(huán)的結(jié)構(gòu)，中斷離子注入?yún)^(qū)之間的橫向電學連接，可減小二極管在小電壓下的反向漏電。北京大學的YIN等設(shè)計了基于高能氟離子注入保護環(huán)結(jié)終端的GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD，其結(jié)構(gòu)和電學模擬及測試結(jié)果如圖10所示。利用TCAD模擬計算得到采用保護環(huán)結(jié)構(gòu)后結(jié)終端附近的電場分布對比，可以看出在空間電荷的作用下，環(huán)與環(huán)之間的漂移區(qū)將被耗盡，從而阻斷了注入環(huán)之間的連接，使得漏電降低。從實驗測試結(jié)果也可以看出，300 V反向偏壓下SBD的反向漏電流與大面積注入的器件相比降低了接近3個數(shù)量級，而SBD的擊穿電壓也提高到1300 V[35]。2021年，中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的GUO等人通過氮注入保護環(huán)結(jié)構(gòu)和TCAD模擬對于保護環(huán)尺寸的精確設(shè)計，將Si襯底上準垂直結(jié)構(gòu)GaN SBD的擊穿電壓從290 V提高到600 V[36]。

圖10 基于高能氟離子注入保護環(huán)結(jié)終端的GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD結(jié)構(gòu)和電學模擬及測試結(jié)果[35]

2.5 結(jié)終端擴展

結(jié)終端拓展（JTE）是擴展耗盡區(qū)、提升垂直結(jié)構(gòu)器件耐壓的重要結(jié)構(gòu)。結(jié)終端擴展結(jié)構(gòu)的形成方法如圖11所示。在傳統(tǒng)Si和SiC中，可以通過選區(qū)離子注入來構(gòu)造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。一種方法是在主結(jié)周圍選區(qū)注入低劑量密度的受主，如圖11（a）所示；另一種方法是通過改變注入掩模窗口區(qū)的寬度，結(jié)合注入后擴散形成如圖11（b）所示的分布。而對于GaN材料而言，盡管目前已經(jīng)有基于離子注入p型摻雜的相應(yīng)報道，但該技術(shù)尚未成熟[37]。因此對于GaN垂直結(jié)構(gòu)二極管而言，需要結(jié)合GaN的材料和器件結(jié)構(gòu)的特點采用其他工藝方法實現(xiàn)結(jié)終端擴展。

圖11 結(jié)終端擴展結(jié)構(gòu)的形成方法

一種工藝方法是對主結(jié)邊緣的p-GaN進行處理，降低其空穴的面密度，從而在GaN PND中實現(xiàn)結(jié)終端擴展。2016年，美國桑迪亞國家實驗室的DICKERSON等人結(jié)合刻蝕以及離子注入形成結(jié)終端擴展[38]。其原理是在主結(jié)邊緣的p型GaN中引入一定深度的離子損傷，使得被注入?yún)^(qū)變?yōu)楦咦鑵^(qū)域，如圖12（a）所示。離子注入深度以下的p-GaN還保持原有狀態(tài)，從而降低了結(jié)邊緣的空穴面密度，形成JTE，起到調(diào)節(jié)電場的作用。所制備的GaN PND的擊穿電壓達到2.6 kV，且具有優(yōu)異的雪崩擊穿特性。2017年，美國圣母大學的WANG等的研究結(jié)果表明，通過將部分補償離子注入邊緣終端與濺射SiNx鈍化相結(jié)合[39-40]，可以實現(xiàn)擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻綜合性能接近GaN材料極限的器件。該結(jié)構(gòu)器件擊穿電壓達到1.68 kV，微分比導(dǎo)通電阻只有0.15 mΩ·cm2[41]。

另一種方法是對主結(jié)邊緣的p-GaN進行階梯式刻蝕，如圖12（b）所示。2020年，日本法政大學的OHTA等通過兩步刻蝕制備出具有JTE結(jié)構(gòu)的GaN垂直結(jié)構(gòu)PND，其中深刻蝕完全去除主結(jié)周圍的p-GaN，實現(xiàn)器件與器件之間的隔離，在更靠近主結(jié)的淺刻蝕中保留了部分p-GaN層，從而實現(xiàn)了結(jié)終端擴展。所制備器件的擊穿電壓高達4.7～4.8 kV，同樣具有優(yōu)異的雪崩擊穿能力[42]。2022年，美國桑迪亞國家實驗室通過大幅度增加漂移區(qū)的厚度、減小漂移區(qū)摻雜濃度，結(jié)合階梯刻蝕實現(xiàn)了擊穿電壓達到6.4 kV的GaN垂直結(jié)構(gòu)PND[43]。

圖12 基于兩種不同工藝的結(jié)終端結(jié)構(gòu)

以上工作通過刻蝕、離子注入工藝減小了主結(jié)邊緣p-GaN中空穴的面密度，實現(xiàn)了結(jié)終端的擴展。由于GaN中Mg受主可以被H等離子體鈍化失去活性，形成高阻的結(jié)終端，北京大學的LIN等在此基礎(chǔ)上，通過逐漸擴大H等離子體處理的掩模窗口，結(jié)合氫在p-GaN中的熱擴散，實現(xiàn)了具有H調(diào)制階梯結(jié)終端（HMSG-JTE）的GaN垂直結(jié)構(gòu)PND。HMSG-JTE中的H處理后退火引起H的擴散導(dǎo)致空穴濃度從主結(jié)向外逐漸降低，從而橫向擴展耗盡區(qū)，減小反向偏壓下的電場峰值。圖13（a）和（b）分別為HMSG-JTE中H等離子體處理掩模和退火后H分布的示意圖[44]。

圖13 具有HMSG-JTE的GaN垂直結(jié)構(gòu)PND橫截面[44]

HMSG-JTE器件及HPET器件的模擬結(jié)果如圖14所示，HMSG-JTE結(jié)構(gòu)的電場分布比基于H等離子體的邊緣終端器件的電場分布更為平緩。該結(jié)構(gòu)將GaN垂直結(jié)構(gòu)PND的擊穿電壓成功地從661 V提升到1489 V[44]。由于H在p-GaN中可以通過擴散再分布，因此基于H等離子體處理及擴散的工藝有望在GaN PND中實現(xiàn)更豐富的結(jié)終端結(jié)構(gòu)。

圖14 HMSG-JTE器件及HPET器件的模擬結(jié)果[44]

2.6 基于保護環(huán)的結(jié)終端

在Si和SiC功率器件中，往往采用離子注入形成p型保護環(huán)以使電場平坦化。但由于離子注入p型摻雜的挑戰(zhàn)，在保護環(huán)的應(yīng)用中還沒有很好的結(jié)果被報道。選擇區(qū)域再生長技術(shù)也可以在指定區(qū)域生長所需的p型GaN，但是選區(qū)生長的界面容易引入C、Si等雜質(zhì)，同時再生長的材料質(zhì)量也難以滿足高壓器件的要求。目前報道的基于分子束外延（MBE）再生長的GaN PND的耐壓最高只有1.1 kV[45]，刻蝕后基于MOCVD再生長的器件耐壓最高為1.27 kV[46]，還無法滿足高壓GaN功率器件的需求。2021年，美國桑迪亞國家實驗室實現(xiàn)了再生長后耐壓達到1.6 kV的GaN PND[47]。最近，美國的Nexgen功率系統(tǒng)公司報道了基于再生長技術(shù)的GaN JFET，器件的工作電壓達到1.2 kV[48]?；谠偕L的GaN PN結(jié)在技術(shù)上已經(jīng)取得重要突破，有望得到進一步的應(yīng)用。

對于GaN PND來說，可行的方式是利用刻蝕形成“平面”結(jié)構(gòu)的保護環(huán)，缺點是電場調(diào)制效果弱于Si以及SiC中的保護環(huán)。日本法政大學基于此方法，通過調(diào)控主結(jié)與保護環(huán)之間的電壓降進一步提升了器件的耐壓[49]。也有研究者利用選擇區(qū)域生長形成p型氧化鎳（NiO）的保護環(huán)，避免了GaN p型生長的難點，但NiO與GaN界面性質(zhì)、異質(zhì)結(jié)的可靠性還需要進一步研究[50]。美國亞利桑那州立大學的FU等采用H等離子體處理的方式形成了具有自對準金屬掩模的保護環(huán)（GR）終端，將PND的擊穿電壓提高到1.8 kV[51]。從器件物理的角度看，基于離子注入的選區(qū)摻雜是形成保護環(huán)的最佳工藝，一旦該技術(shù)成熟，GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的耐壓有望得到進一步提升。

3 結(jié)束語

本文主要總結(jié)了近些年GaN垂直結(jié)構(gòu)肖特基和PND所適用的結(jié)終端技術(shù)，包括臺面、場板、離子注入、結(jié)終端擴展、保護環(huán)等。采用結(jié)終端后，GaN垂直結(jié)構(gòu)二極管的耐壓得到有效提升，PND的最高擊穿電壓達到6.4 kV，并有望突破10 kV。但目前GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件的性能與材料本身的極限仍存在一定距離。如何進一步優(yōu)化結(jié)終端設(shè)計、發(fā)展新型結(jié)終端結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù)是提升GaN垂直結(jié)構(gòu)器件性能的主要研究內(nèi)容。此外，雖然目前GaN同質(zhì)襯底上外延層的質(zhì)量已經(jīng)得到很大提升，但片內(nèi)均勻性以及片與片之間的一致性還有很大的提高空間。隨著材料質(zhì)量、摻雜技術(shù)以及器件工藝的不斷發(fā)展，GaN垂直結(jié)構(gòu)功率器件有望在不久的將來進入中高壓功率應(yīng)用領(lǐng)域，與橫向的HEMT結(jié)構(gòu)器件形成互補，提升GaN功率器件的市場份額。