UCSB实现860V横向GaN超级结肖特基二极管，无需选择性外延再生长

7月6日，Power Electronics News报道了加州大学圣塔芭芭拉分校Zachary Biegler团队在氮化镓功率器件领域的一项研究成果。该团队成功演示了一款横向GaN超级结肖特基二极管，击穿电压达到860V，且整个制备过程未采用选择性外延再生长工艺。

超级结电荷平衡概念已在硅基MOSFET功率器件中得到成功应用。如今业界正将更多注意力放在运用该技术改善宽禁带功率器件的性能指标上。本文总结了将超级结结构应用于横向氮化镓肖特基二极管的初步研究结果，这些结果显示了良好前景。

超级结器件工程

对于额定电压超过数百伏的器件，漂移区对导通电阻的贡献占主导地位。要实现更高的关态耐压，就需要采用掺杂浓度更低、厚度更大的漂移区。在硅基MOSFET中，导通电阻与击穿电压存在以下近似关系：

超级结概念用交替的n型和p型掺杂区域取代了n型漂移区，这些区域处于电荷平衡状态。由于在更低的电压下即可实现耗尽，导通电阻与击穿电压之间可以达到近似线性关系：

这使得n型漂移层的掺杂浓度可以进一步提高，从而显著降低导通电阻。反过来看，在相同漂移掺杂浓度下，给定导通电阻时可以实现的击穿电压也会更高。

超级结MOSFET的制造方法之一，是在漂移区的大部分区域进行沟槽刻蚀，再通过选择性外延生长在沟槽内填充p型柱。另一种方法是多次外延生长，在 successive n型外延层之间进行掩模p型注入。

600V等级的硅基超级结MOSFET，理论上可比传统MOSFET实现约30倍的比导通电阻改善，实际中这一倍数通常在5到10倍之间，具体取决于超级结柱的间距。

GaN超级结制造面临的挑战

将超级结概念从硅引入GaN面临着诸多挑战。垂直GaN-on-GaN器件制造本身就存在不少困难，比如低缺陷、大面积GaN衬底的制备难度大，Mg掺杂p型区域的选择性掺杂也是难题。掺杂控制、激活效率以及注入损伤的抑制都是主要问题。在非平面衬底上进行外延再生长难度更大。超级结器件要求精确的电荷平衡，而实现p型掺杂剂良好激活需要高温再生长，这可能导致掺杂剂互混和非均匀掺入。再生长的缺陷形成往往需要在掺杂激活与器件性能之间做折中，再生长界面处Si和O等杂质的掺入会造成掺杂补偿。

一种自然的替代方案是采用基于标准横向GaN HEMT制造技术的横向超级结器件，无需选择性再生长或掺杂的设计简化了制造工艺。

已有多种尝试。一种方案是使用NiO等后生长p型导电氧化物。利用GaN/AlGaN交替层中的极化电荷形成超级结也有相关研究。本文讨论的是美国加州大学圣塔芭芭拉分校Zachary Biegler及其团队展示的一种更简单的全GaN p-n-p横向超级结肖特基二极管。

横向p-n-p GaN超级结肖特基二极管

图1 （a）标准横向GaN肖特基二极管（b）横向超级结肖特基二极管的简化截面图

图1(a)展示了标准横向GaN肖特基二极管的简化器件截面。肖特基阳极与欧姆阴极之间的n-GaN漂移区决定了器件的击穿电压。相比之下，图1(b)所示的p-n-p结构则代表了超级结二极管。横向阳极接触的设计消除了对再生长p型层的需求。

采用全GaN结构而非AlGaN/GaN基设计，可以最大限度地减小应变并实现均匀的电场分布。使用更厚的层和更高的掺杂浓度有助于提高导电性。p-n-p结构理论上可以垂直重复堆叠，但原型器件采用的是单层三明治结构。

模拟采用的结构为：厚度50nm、掺杂浓度1×101⁸/cm3的p-GaN层，夹持1μm厚、掺杂浓度1×101⁷/cm3的n-GaN层（即n型和p型层的净掺杂与厚度乘积匹配）。模拟显示漂移区电场分布平坦，约为2.3MV/cm，峰值出现在顶部p-GaN/介质界面。10μm漂移长度在这些模拟中可实现2.3kV反向击穿电压。

为增强对电荷平衡的信心，研究团队对分子束外延生长的层结构进行了SIMS电荷掺杂分析。n型Si掺杂可通过掺杂源温度进行控制，p型Mg掺杂则通过阀门开度百分比进行调节。虽然金属有机化学气相沉积是大规模量产中GaN生长的首选工艺，但MBE具有原子级精度、可生成更陡峭界面以及生长温度更低等优势。

MOCVD生长速率更快，但其前驱体含碳，可能对掺杂剂产生补偿效应。由于MBE中此类补偿杂质的含量较低，可实现更宽的掺杂浓度范围。UCSB一直是氨分子束外延技术的先驱。富氮生长模式消除了GaN等离子体增强MBE中存在的镓液滴问题。

本工作中，n型掺杂层MBE生长温度为825°C，p型掺杂层为750°C。生长过程中使用了铟表面活性剂，其优势在于可获得更平滑的表面形貌并降低背景掺杂浓度。

超级结器件制作在蓝宝石衬底上的Fe掺杂GaN上，在无意掺杂缓冲层下方包含一层100nm p型层，用于补偿衬底界面处的n型施主。实际器件中，n型超级结层厚度为1.3μm，p型超级结层厚度为65nm。用于对比的标准肖特基器件仅使用了1.3μm、1×101⁷/cm3的n型掺杂层。

制备流程包括反应离子刻蚀形成器件台面，原子层沉积Al₂O₃钝化。欧姆接触采用Ti/Au形成，肖特基接触由Pd/Au金属在旋转蒸发沉积以确保侧壁共形覆盖。图1所示的超级结和标准肖特基器件采用相同的制备步骤，漂移长度从10μm到50μm不等。

结 果

图2：（a）横向GaN超级结肖特基二极管和（b）标准横向GaN肖特基二极管的IV曲线

超级结与标准二极管的正向特性相似，表明超级结层的使用并未造成性能退化。两种器件都比预期更具电阻性，这是由于MBE生长n型层时采用了1μm/hr的高生长速率，导致电子迁移率偏低。若采用较慢的生长速率，有望改善这一状况。

IV曲线中有一个值得注意的特征：超级结肖特基反向特性中约-40V处出现了一个“凸起”。这归因于阳极接触处p-GaN侧壁的欧姆接触不够理想（理想情况下这应是一个反向偏置的欧姆p结）。该结处的肖特基行为会增加泄漏电流，直到沟道在更高反向电压下通过垂直耗尽被夹断。

超级结层带来的最大改进体现在器件的击穿电压上。标准肖特基二极管在电压低至10V时即发生击穿，而超级结二极管可承受高达200V的电压。漂移长度为40μm的超级结肖特基二极管实现了860V的最高击穿电压。

虽然这些超级结二极管的泄漏电流和击穿电压仍需进一步优化，但这项概念验证研究前景良好，可为未来的改进奠定基础。

文章来源：
https://www.powerelectronicsnews.com/gan-lateral-superjunction-schottky-diode/

论文信息：Z. J. Biegler, W. Y. Ho, E. Farzana, S. Krishnamoorthy, and J. S. Speck, “Lateral GaN Schottky superjunction diodes with buried p-GaN by NH3-MBE,” APL Electronic Devices 2, 026114 (2026).