GaN垂直結(jié)構(gòu)器件結(jié)終端設(shè)計(jì)*

徐嘉悅，王茂俊，魏進(jìn)，解冰，郝一龍，沈波

（1.北京大學(xué)集成電路學(xué)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(xué)物理學(xué)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(jìn)式的改進(jìn)，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)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(kāi)始尋求新的半導(dǎo)體材料來(lái)滿(mǎn)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(chǎng)、高電子飽和漂移速度等特點(diǎn)，成為目前功率電子材料與器件研究的熱點(diǎn)。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?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。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(yùn)特性，GaN HEMT器件的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)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(shì)。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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容工藝的開(kāi)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(kāi)關(guān)器件已經(jīng)在手機(jī)快充中得到廣泛應(yīng)用，并有望進(jìn)入服務(wù)器電源、汽車(chē)電子等高端領(lǐng)域。

盡管HEMT器件在高開(kāi)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(shí)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(shí)存在嚴(yán)重的動(dòng)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(guò)增加器件耐壓冗余度來(lái)避免電壓過(guò)沖條件下的器件擊穿，未能充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢(shì)。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(shì)：（1）電流通道在體內(nèi)，不易受器件表面陷阱態(tài)的影響，動(dòng)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(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)雪崩特性，在工業(yè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)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(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN厚膜外延層，制備準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)器件。但是，在GaN厚膜外延生長(zhǎng)的過(guò)程中，晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配等原因會(huì)引入大量不可避免的位錯(cuò)。這些位錯(cuò)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(lái)，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(zhǎng)足的進(jìn)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(shí)驗(yàn)室性能已經(jīng)取得重要突破，報(bào)道的器件耐壓超過(guò)6 kV，輸出電流達(dá)到幾百安培。最近，美國(guó)Odyssey公司宣布即將完成650 V以及1200 V兩種耐壓等級(jí)GaN垂直結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）器件的產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)，說(shuō)明垂直結(jié)構(gòu)GaN功率電子器件已經(jīng)做好了邁入市場(chǎng)的前期準(zhǔn)備。除了材料生長(zhǎng)外，GaN垂直結(jié)構(gòu)器件研究的一個(gè)重點(diǎn)是如何設(shè)計(jì)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(chǎng)，實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而充分發(fā)揮GaN寬禁帶的材料優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)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(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(duì)SBD和PND相關(guān)器件物理和器件結(jié)構(gòu)的研究除了對(duì)整流、續(xù)流、電壓鉗位等應(yīng)用具有重要作用外，對(duì)于其他類(lèi)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(kāi)啟電壓高、開(kāi)關(guān)速度慢、轉(zhuǎn)換損耗高。而SBD則有相對(duì)于PN結(jié)構(gòu)更低的開(kāi)啟電壓，能有效減少器件開(kāi)關(guān)時(shí)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(wèn)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(méi)有擴(kuò)散電容，GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD具有更快的開(kāi)關(guān)速率，可以進(jìn)一步減少器件的開(kāi)關(guān)損耗。

GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于金半接觸的內(nèi)部，可以通過(guò)對(duì)一維突變結(jié)進(jìn)行分析，得到漂移區(qū)縱向的電場(chǎng)分布。

圖1 GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD的結(jié)構(gòu)

當(dāng)漂移區(qū)未完全耗盡之前，結(jié)邊緣處的最大電場(chǎng)強(qiáng)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(yáng)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(chǎng)遠(yuǎn)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(gè)角還會(huì)出現(xiàn)球面結(jié)，電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，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(jì)合適的結(jié)終端結(jié)構(gòu)，減小結(jié)邊緣的峰值電場(chǎng)。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?qǐng)鱿蕲h(huán)、場(chǎng)板、斜角邊緣終端、腐蝕終端、結(jié)終端擴(kuò)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(diǎn)做相應(yīng)改進(jìn)。

GaN垂直結(jié)構(gòu)器件中結(jié)終端的設(shè)計(jì)主要有兩種思路：（1）通過(guò)刻蝕等方法，改變主結(jié)邊緣的形狀，通常蝕刻成臺(tái)面、直角、曲面等形狀，從而改善表面電場(chǎng)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(shì)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，增加耗盡區(qū)的寬度，從而達(dá)到平滑電場(chǎng)尖峰、緩解邊緣電場(chǎng)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(shì)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)；另一種是在結(jié)邊緣的下方引入對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)，這往往需要結(jié)合刻蝕等工藝。在實(shí)際器件中往往將不同的結(jié)終端技術(shù)進(jìn)行組合以達(dá)到進(jìn)一步提高器件性能的目的[9]。下面對(duì)目前適用于GaN垂直結(jié)構(gòu)器件的結(jié)終端技術(shù)進(jìn)行分析，并討論各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 臺(tái)面終端

臺(tái)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(lái)選擇性地去除器件邊緣的部分材料來(lái)形成不同形狀的臺(tái)面[11]。臺(tái)面終端可以分為斜臺(tái)面終端（正傾角斜臺(tái)面、負(fù)傾角斜臺(tái)面）和直角臺(tái)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(chēng)為正臺(tái)面，反之為負(fù)臺(tái)面。各種臺(tái)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(tái)面終端

2.1.1 正傾角斜臺(tái)面終端

通常來(lái)說(shuō)，對(duì)于垂直型的PN結(jié)構(gòu)而言，形成一個(gè)正傾角斜臺(tái)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(duì)于改善器件的性能而言更有意義。這是因?yàn)樵诘蛽诫s區(qū)移除了更多的材料，將會(huì)導(dǎo)致沿刻蝕側(cè)壁的耗盡層寬度增加；p型側(cè)為重?fù)诫s，所以耗盡區(qū)收縮得小。因此正斜角臺(tái)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(chǎng)更低，可以避免表面擊穿[10]，正傾角斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)如圖3所示[12]，其中θ是正斜面的傾角，Ws為臺(tái)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(zhǎng)過(guò)程的限制，p型層中的鎂（Mg）受主在金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（MOCVD）生長(zhǎng)后需要經(jīng)過(guò)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(yuǎn)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(guò)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(shí)現(xiàn)正傾角斜臺(tái)面終端。

圖3 正傾角斜臺(tái)面結(jié)構(gòu)

2.1.2 負(fù)傾角斜臺(tái)面終端

在對(duì)GaN PN結(jié)進(jìn)行刻蝕時(shí)由于去除了更多的重?fù)诫sp型區(qū)域，最終得到負(fù)傾角斜臺(tái)面，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。p型區(qū)中的耗盡區(qū)寬度擴(kuò)大，n型側(cè)表面則縮小。由于p型一側(cè)為重?fù)诫s，耗盡區(qū)擴(kuò)大得有限，因此負(fù)斜角臺(tái)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P(yáng)ND的邊緣電場(chǎng)比內(nèi)部電場(chǎng)要大，因而更易產(chǎn)生擊穿。通常認(rèn)為，負(fù)傾角斜臺(tái)面不適合作為功率器件的終端結(jié)構(gòu)。

圖4 負(fù)傾角斜臺(tái)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(fù)臺(tái)面也可以起到減少表面電場(chǎng)尖峰的作用[13-14]。緩變摻雜分布結(jié)擴(kuò)散側(cè)負(fù)斜角邊緣終端如圖5所示，當(dāng)傾角減小時(shí)，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(xiàn)箭頭所示。當(dāng)傾角很小時(shí)，n型側(cè)耗盡區(qū)的邊界釘扎在PN結(jié)的界面處，此時(shí)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(kuò)散側(cè)負(fù)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(fù)斜面上的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為：

其中EmB為n型側(cè)（主結(jié)區(qū)）電場(chǎng)強(qiáng)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(fù)斜角可以起到減小表面電場(chǎng)的效果。日本京都大學(xué)的MAEDA等報(bào)道了具有負(fù)傾角斜臺(tái)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(chǎng)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(guò)刻蝕時(shí)的圖形轉(zhuǎn)移制備出小傾角的負(fù)臺(tái)面器件。對(duì)于擊穿電壓為425 V的GaN PND，其內(nèi)部的平面結(jié)擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)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(shí)從模擬和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度驗(yàn)證了二極管內(nèi)部的峰值電場(chǎng)隨刻蝕傾角以及p區(qū)摻雜濃度的降低而降低。當(dāng)p-GaN中的摻雜濃度較低時(shí)，沿側(cè)壁的耗盡區(qū)寬度變大，峰值電場(chǎng)轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，從而降低了器件邊緣的電場(chǎng)聚集效應(yīng)。對(duì)于負(fù)傾角斜臺(tái)面終端來(lái)說(shuō)，除了刻蝕傾角的角度外，刻蝕在臺(tái)面表面引入的陷阱態(tài)也是影響PN結(jié)邊緣電場(chǎng)分布的重要參數(shù)，需要整體考慮。斯坦福的ZENG等通過(guò)TCAD的模擬計(jì)算說(shuō)明了刻蝕表面懸掛鍵引起的固定電荷以及介質(zhì)鈍化對(duì)負(fù)傾角斜臺(tái)面終端電場(chǎng)調(diào)制效果的影響[15]。利用小的刻蝕傾角，南京大學(xué)在藍(lán)寶石襯底上的GaN PND中同樣實(shí)現(xiàn)了雪崩擊穿，平面結(jié)擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到2.86 MV/cm[16]。從文獻(xiàn)報(bào)道看，基于刻蝕工藝的小負(fù)傾角斜臺(tái)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(shí)現(xiàn)雪崩擊穿。

2.1.3 直角臺(tái)面終端

先前的研究表明，小傾角可以更好地達(dá)到平緩電場(chǎng)的作用，并且臺(tái)面的角度應(yīng)避免接近直角，否則會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)的邊緣非常尖銳[10]，從而致使器件過(guò)早發(fā)生擊穿。然而，日本名古屋大學(xué)的FUKUSHIMA等的研究結(jié)果表明，如果對(duì)臺(tái)面進(jìn)行如圖2（b）所示的深蝕刻，即使傾角接近90°，電場(chǎng)仍然可以比較均勻地分布在整個(gè)器件上，其模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示[17]。該研究同時(shí)比較了淺臺(tái)面和深臺(tái)面器件的性能差異，發(fā)現(xiàn)具有淺臺(tái)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(tái)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(tái)面深度下的模擬電場(chǎng)分布[17]

除了傳統(tǒng)的直角臺(tái)面，MUDIYANSELAGE等在研究中探索了“階梯”狀臺(tái)面[18]，盡管該結(jié)構(gòu)對(duì)于器件的性能提升有限，但是模擬結(jié)果表明，更大的臺(tái)階深度和臺(tái)階數(shù)量能夠提高器件的擊穿電壓，這和之前負(fù)傾角斜臺(tái)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(lài)于臺(tái)面終端，其工藝的特點(diǎn)是刻蝕的角度較大，接近90°，同時(shí)在刻蝕溝槽內(nèi)引入了額外的結(jié)。反偏壓下通過(guò)結(jié)的耗盡使得器件的主結(jié)與高電場(chǎng)隔離，從而減小主結(jié)邊緣的峰值電場(chǎng)。值得注意的是，此工藝一般用來(lái)減小器件內(nèi)部特別是肖特基勢(shì)壘二極管內(nèi)部的電場(chǎng)，提升耐壓，在一定程度上超越了結(jié)終端本身的范疇。這對(duì)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(guò)刻蝕溝槽和額外的結(jié)可以大大抑制肖特基勢(shì)壘二極管面臨的高電場(chǎng)。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(chēng)為溝槽MOS勢(shì)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(xué)院的ZHANG等在2016年的IEDM上首先報(bào)道了GaN TMBS器件。與沒(méi)有終端的器件相比，其反向泄漏電流降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)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(shí)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(guò)對(duì)溝槽介質(zhì)下方的GaN進(jìn)行離子注入、引入高阻的保護(hù)環(huán)來(lái)降低絕緣層中的電場(chǎng)，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(zhǎng)p型材料，則形成結(jié)型肖特基勢(shì)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(guò)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(xué)的ZHOU等結(jié)合了混合PN肖特基二極管（MPS）和TMBS的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)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(shì)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(guò)在PN外延結(jié)構(gòu)上選擇性地刻蝕p-GaN，然后再生長(zhǎng)n-GaN來(lái)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖7（c）所示。該方法避開(kāi)了p型GaN的選區(qū)生長(zhǎng)，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(jìn)一步降低比導(dǎo)通電阻。由于本文的重點(diǎn)是介紹結(jié)終端，器件內(nèi)部電場(chǎng)的調(diào)控不再詳述。

圖7 3種勢(shì)壘肖特基二極管的橫截面[22]

2.3 場(chǎng)板

場(chǎng)板是調(diào)節(jié)器件結(jié)邊緣電場(chǎng)、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(dāng)場(chǎng)板電極與陰極之間為反向偏置時(shí)會(huì)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(chǎng)隨之降低，其抗擊穿的能力有所提高[10]。在實(shí)際器件制備過(guò)程中，場(chǎng)板通常與陽(yáng)極之間是短路的，從而減小了工藝復(fù)雜度。

圖8 場(chǎng)板結(jié)構(gòu)[10]

值得一提的是，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)通常與臺(tái)面終端一起使用?？的螤柎髮W(xué)的OZBEK等將場(chǎng)板和臺(tái)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(dá)12.8 GW/cm2[24]。場(chǎng)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(jì)合適的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，如場(chǎng)板長(zhǎng)度、介質(zhì)厚度等是提高HEMT耐壓的關(guān)鍵。此外，在場(chǎng)板設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)場(chǎng)板的電場(chǎng)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(guò)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(shì)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?chē)碾妶?chǎng)。此外，高阻結(jié)終端結(jié)構(gòu)中器件陽(yáng)極的金屬一般會(huì)部分覆蓋離子注入?yún)^(qū)域，也起到一定的場(chǎng)板作用?；陔x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(lái)擴(kuò)展電場(chǎng)的橫向分布，減少主結(jié)周?chē)碾妶?chǎng)集聚，進(jìn)而提高SiC SBD的耐壓[25]。在GaN領(lǐng)域，OZBEK等最早報(bào)道了通過(guò)無(wú)掩模2×1016cm-2的氬注入來(lái)破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，提高材料的電阻率，進(jìn)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(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所報(bào)道，采用氟離子注入結(jié)終端的GaN SBD與沒(méi)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(dá)到105量級(jí)[26]。最近，深圳大學(xué)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(bào)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(fù)離子的特性，這在增強(qiáng)型GaN HEMT中已經(jīng)得到廣泛關(guān)注。在柵下通過(guò)氟等離子體處理可以在AlGaN勢(shì)壘中引入負(fù)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?qiáng)型。浙江大學(xué)的HAN等人通過(guò)低劑量的氟離子注入在GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD陽(yáng)極金屬的邊緣終端區(qū)域中引入負(fù)電荷，調(diào)控肖特基主結(jié)邊緣的電場(chǎng)分布，從而緩解陽(yáng)極邊緣的電場(chǎng)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(rèn)為離子注入的作用是通過(guò)破壞材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、引入深能級(jí)缺陷來(lái)形成高阻區(qū)。在器件工作過(guò)程中，這些深能級(jí)陷阱的電荷占據(jù)情況會(huì)隨著器件兩端電壓的變化而改變，這無(wú)疑會(huì)改變器件結(jié)邊緣的電場(chǎng)分布，但國(guó)際上還缺乏相應(yīng)的研究。北京大學(xué)的YIN等發(fā)現(xiàn)，氟離子注入時(shí)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(chǎng)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(jí)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(kuò)展陽(yáng)極附近的電場(chǎng)分布。在這一概念的指導(dǎo)下，通過(guò)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(cè)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(cè)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(dú)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(lái)說(shuō)，由于氫原子尺寸較小，一定溫度下可以在GaN晶體內(nèi)部擴(kuò)散，所以被認(rèn)為是影響GaN器件可靠性的重要原因之一[32]。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)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(chēng)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(shí)現(xiàn)以上工藝，避免了復(fù)雜的離子注入過(guò)程。所制備器件的擊穿電壓達(dá)到1.57 kV，正向?qū)妷簽?.5 V，導(dǎo)通電流約為2 kA/cm2[33]，開(kāi)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(xué)將場(chǎng)板技術(shù)與HPET相結(jié)合，利用旋涂玻璃作為場(chǎng)板介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了具有雪崩擊穿能力的GaN PND，器件耐壓達(dá)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(guò)將大面積的離子注入?yún)^(qū)用有源區(qū)隔開(kāi)，形成保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，中斷離子注入?yún)^(qū)之間的橫向電學(xué)連接，可減小二極管在小電壓下的反向漏電。北京大學(xué)的YIN等設(shè)計(jì)了基于高能氟離子注入保護(hù)環(huán)結(jié)終端的GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD，其結(jié)構(gòu)和電學(xué)模擬及測(cè)試結(jié)果如圖10所示。利用TCAD模擬計(jì)算得到采用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)后結(jié)終端附近的電場(chǎng)分布對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)，而SBD的擊穿電壓也提高到1300 V[35]。2021年，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的GUO等人通過(guò)氮注入保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和TCAD模擬對(duì)于保護(hù)環(huán)尺寸的精確設(shè)計(jì)，將Si襯底上準(zhǔn)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(hù)環(huán)結(jié)終端的GaN垂直結(jié)構(gòu)SBD結(jié)構(gòu)和電學(xué)模擬及測(cè)試結(jié)果[35]

2.5 結(jié)終端擴(kuò)展

結(jié)終端拓展（JTE）是擴(kuò)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(kuò)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(guò)選區(qū)離子注入來(lái)構(gòu)造相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。一種方法是在主結(jié)周?chē)x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(guò)改變注入掩模窗口區(qū)的寬度，結(jié)合注入后擴(kuò)散形成如圖11（b）所示的分布。而對(duì)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(bào)道，但該技術(shù)尚未成熟[37]。因此對(duì)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(diǎn)采用其他工藝方法實(shí)現(xiàn)結(jié)終端擴(kuò)展。

圖11 結(jié)終端擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的形成方法

一種工藝方法是對(duì)主結(jié)邊緣的p-GaN進(jìn)行處理，降低其空穴的面密度，從而在GaN PND中實(shí)現(xiàn)結(jié)終端擴(kuò)展。2016年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的DICKERSON等人結(jié)合刻蝕以及離子注入形成結(jié)終端擴(kuò)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(chǎng)的作用。所制備的GaN PND的擊穿電壓達(dá)到2.6 kV，且具有優(yōu)異的雪崩擊穿特性。2017年，美國(guó)圣母大學(xué)的WANG等的研究結(jié)果表明，通過(guò)將部分補(bǔ)償離子注入邊緣終端與濺射SiNx鈍化相結(jié)合[39-40]，可以實(shí)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(dá)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(duì)主結(jié)邊緣的p-GaN進(jìn)行階梯式刻蝕，如圖12（b）所示。2020年，日本法政大學(xué)的OHTA等通過(guò)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?chē)膒-GaN，實(shí)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(shí)現(xiàn)了結(jié)終端擴(kuò)展。所制備器件的擊穿電壓高達(dá)4.7～4.8 kV，同樣具有優(yōu)異的雪崩擊穿能力[42]。2022年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)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(shí)現(xiàn)了擊穿電壓達(dá)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(guò)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(shí)現(xiàn)了結(jié)終端的擴(kuò)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(xué)的LIN等在此基礎(chǔ)上，通過(guò)逐漸擴(kuò)大H等離子體處理的掩模窗口，結(jié)合氫在p-GaN中的熱擴(kuò)散，實(shí)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(kuò)散導(dǎo)致空穴濃度從主結(jié)向外逐漸降低，從而橫向擴(kuò)展耗盡區(qū)，減小反向偏壓下的電場(chǎng)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(chǎng)分布比基于H等離子體的邊緣終端器件的電場(chǎng)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(guò)擴(kuò)散再分布，因此基于H等離子體處理及擴(kuò)散的工藝有望在GaN PND中實(shí)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(hù)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(hù)環(huán)以使電場(chǎng)平坦化。但由于離子注入p型摻雜的挑戰(zhàn)，在保護(hù)環(huán)的應(yīng)用中還沒(méi)有很好的結(jié)果被報(bào)道。選擇區(qū)域再生長(zhǎng)技術(shù)也可以在指定區(qū)域生長(zhǎng)所需的p型GaN，但是選區(qū)生長(zhǎng)的界面容易引入C、Si等雜質(zhì)，同時(shí)再生長(zhǎng)的材料質(zhì)量也難以滿(mǎn)足高壓器件的要求。目前報(bào)道的基于分子束外延（MBE）再生長(zhǎng)的GaN PND的耐壓最高只有1.1 kV[45]，刻蝕后基于MOCVD再生長(zhǎng)的器件耐壓最高為1.27 kV[46]，還無(wú)法滿(mǎn)足高壓GaN功率器件的需求。2021年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了再生長(zhǎng)后耐壓達(dá)到1.6 kV的GaN PND[47]。最近，美國(guó)的Nexgen功率系統(tǒng)公司報(bào)道了基于再生長(zhǎng)技術(shù)的GaN JFET，器件的工作電壓達(dá)到1.2 kV[48]?；谠偕L(zhǎng)的GaN PN結(jié)在技術(shù)上已經(jīng)取得重要突破，有望得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

對(duì)于GaN PND來(lái)說(shuō)，可行的方式是利用刻蝕形成“平面”結(jié)構(gòu)的保護(hù)環(huán)，缺點(diǎn)是電場(chǎng)調(diào)制效果弱于Si以及SiC中的保護(hù)環(huán)。日本法政大學(xué)基于此方法，通過(guò)調(diào)控主結(jié)與保護(hù)環(huán)之間的電壓降進(jìn)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(zhǎng)形成p型氧化鎳（NiO）的保護(hù)環(huán)，避免了GaN p型生長(zhǎng)的難點(diǎn)，但NiO與GaN界面性質(zhì)、異質(zhì)結(jié)的可靠性還需要進(jìn)一步研究[50]。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的FU等采用H等離子體處理的方式形成了具有自對(duì)準(zhǔn)金屬掩模的保護(hù)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(hù)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(jìn)一步提升。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(tái)面、場(chǎng)板、離子注入、結(jié)終端擴(kuò)展、保護(hù)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(dá)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(jìn)一步優(yōu)化結(jié)終端設(shè)計(jì)、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?jī)?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(lái)進(jìn)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(bǔ)，提升GaN功率器件的市場(chǎng)份額。