Vooruitgang in verticale GaN PN-diodes: een uitgebreide review

Samenvatting

Als een representatief wijd-bandgat halfgeleidermateriaal heeft galliumnitride (GaN) toenemende aandacht getrokken vanwege de superieure materiaaleigenschappen (zoals hoge elektronenmobiliteit, hoge elektronenverzadigingssnelheid en kritisch elektrisch veld). Verticale GaN-devices zijn onderzocht, worden beschouwd als een van de meest veelbelovende kandidaten voor power-elektronicatoepassingen, en worden gekenmerkt door het vermogen voor hoge spanning, hoge stroom en hoge doorbraakspanning. Onder die devices is de verticale GaN-gebaseerde PN-overgangsdiode (PND) aanzienlijk onderzocht en toont grote prestatievoortgang op basis van hoge epitaxiekwaliteit en devicestructuurontwerp. Echter, de device-epitaxiekwaliteit vereist verdere verbetering. Wat betreft de elektrische prestaties van het device, is het elektrisch veldverzamelings-effect aan de devicerand een urgente kwestie, wat resulteert in voor.matige doorbraak en de superioriteit van het GaN-materiaal beperkt, maar momenteel verlicht door randafsluiting. Deze review benadrukt de vooruitgang in materiaal-epitaxiegroei en randafsluitingstechnieken, gevolgd door de verkenning van de huidige GaN-ontwikkelingen en potentiële voordelen ten opzichte van siliciumcarbide (SiC) voor materialen en devices, de verschillen tussen GaN Schottky-barrierediodes (SBDs) en PNDs wat betreft mechanismen en kenmerken, en de voordelen van verticale devices ten opzichte van hun laterale tegenhangers. Vervolgens biedt de review een uitblik en onthult de ontwerptrend van verticale GaN PND gebruikt voor een stroomsysteem, inclusief een beginvormige verticale GaN PND.

Inleiding

Wereldwijd energieverbruik stijgt veel sneller dan in de afgelopen decennia door de snelle groei in industrie en economie. Daarom zijn geavanceerde energiebesparende technologieën vereist om de problemen van toenemend energieverbruik te verlichten.

Silicium-gebaseerde devices zijn momenteel het dominante type onder power-devices [1]. Onder deze power-devices spelen geïsoleerde-gate bipolaire transistors (IGBTs) een significante rol en tonen een groeiende trend naar de vervanging van de power bipolaire transistor (BJT) en metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistor (MOSFET) sinds de uitvinding van IGBTs in 1982 [2]. Op dit moment zijn IGBTs essentiële elementen van power-elektronische velden voor conversie en transmissie [3]. Echter, silicium-gebaseerde power-devices hebben hun fundamentele materiaallimieten bereikt en worden wijd gebruikt in elektrische energie-toepassingen.

Gegeven de uitstekende eigenschappen, is GaN een van de wijd-bandgat halfgeleidermaterialen (waaronder SiC, GaN, Ga₂O₃ en diamant) in staat om power-devices te fabriceren met een lage capaciteit en weerstand voor een gespecificeerde doorbraakspanning ten opzichte van Si-gebaseerde devices. Dus worden GaN-gebaseerde devices met laag energieverbruik, hoge energiedichtheden, en hoge conversie-efficiëntie voor power-elektronische systemen verwacht.

Zoals getoond in Tabel 1, heeft GaN een veel hogere Baliga's figure of merit (BFOM) dan SiC (dat gecommercialiseerd is), een kenmerk dat toegeschreven wordt aan de hogere elektronenverzadigingssnelheid en hogere kritische elektrische veld. Echter, SiC heeft betere thermische geleiding. Daarnaast bezit GaN een hogere ladingsdrager-mobiliteit µ en een hogere thermische geleiding, en heeft zowel p- als n-type doting bereikt in vergelijking met Ga₂O₃. Terwijl voor het ultieme wijd-bandgat halfgeleider, diamant, nog veel vooruitgang moet worden geboekt om het praktische stadium te bereiken. Tot nu toe zijn GaN-gebaseerde devices, zoals driedelige devices (heterostructuur veld-effect transistors (HFETs) en MOSFETs) en tweedelige devices (SBDs en PNDs) sleutelonderwerpen geworden, en grote vooruitgang is geboekt in hun toepassingen in power-rectificatie en power-conversie.

GaN versus SiC

Vanaf de inherent materiaaleigenschappen heeft GaN licht superieure voordelen ten opzichte van SiC, waaronder een wider energiebandgat, hoger kritisch elektrisch veld, hogere elektronenverzadigingssnelheid, en een 3–4× betere BFOM voor power-devices [6]. Dus, rekening houdend met de uitstekende kenmerken, zouden GaN-gebaseerde devices SiC-gebaseerde tegenhangers moeten overtreffen. In praktische toepassing zijn verticale GaN-gebaseerde devices essentieel voor hoge energiedichtheid en hoge werkwisseling (Fig. 1) vanwege hun uitstekende materiaaleigenschappen.

Als de meest rijpe wijd-bandgat halfgeleiders, hebben SiC-devices in het laatste decennium opmerkelijke vooruitgang geboekt en tonen veelbelovende prestaties in termen van hoge spanning, lage specifieke aan-weerstand, en snelle schakelsnelheid [8]. Gegeven de diepgaande onderzoeksbasis sinds 1980 en beschikbare grotere SiC-substraten met lage defecten (< 10⁴ cm⁻²), waren SiC SBDs en junction veld-effect transistors (JFETs) de eerste gecommercialiseerde SiC-gebaseerde devices sinds 2001. Andere SiC-gebaseerde power-devices inclusief MOSFETs en BJTs zijn met succes ontwikkeld in het veld van hoge spanning en power-toepassing en hebben indrukwekkende prestaties gedemonstreerd [9].

In vergelijking met SiC, ontwikkelden GaN-devices zeer langzaam. Hun ontevredenen materiaalkwaliteit verhindert de realisatie van een aantal van hun theoretisch superieure eigenschappen. Gegeven het gebrek aan GaN-substraat, zijn de meeste studies op GaN-devices voornamelijk gebaseerd op de laterale structuur (bijv. AlGaN/GaN heterostructuur) op dit moment. Met zijn hogere elektronenmobiliteit van 2000 cm²/V s (tweedimensionaal elektrongas (2DEG) in AlGaN/GaN), 1000 cm²/V s (bulk GaN) en hogere verzadigingssnelheid van 2,5 × 10⁷ cm/s ten opzichte van SiC-tegenhangers, worden AlGaN/GaN-devices bevorzugd voor hoge-frequentie toepassingen en hebben lage power watts ten opzichte van SiC-devices [10]. Op hoge-frequentievelden bereiken AlGaN/GaN SBDs uitstekende elektrische transportprestaties en zijn meer geschikt voor microgolf- en millimatergolf-toepassingen op watt-niveau [11, 12]. De AlGaN/GaN SBD is een representatief device voor GaN SBDs. De hoge mobiliteit van 2DEG betekent dat AlGaN/GaN SBDs enorme prestatievoordelen tonen bij hoge-frequentie toepassingen ten opzichte van verticale SBDs en een lage aan-spanning behouden. Onlangs waren AlGaN/GaN SBDs de basis voor een 5,8-GHz rectifier circuit met een input power van 6,4 W en een aan-spanning 0,38 V met een doorbraakspanning (BV) van 3000 V [13, 14]. De maximale afsnijfrequentie is dicht bij 1 THz bij 0 V met een anode-naar-kathode afstand van 70 nm [15].

Voor GaN-gebaseerde power-devices is het GaN-substraat (bulk GaN) ideaal voor epitaxiegroei, wat homo-epitaxietechnologie kan benutten om de mismatch te elimineren. De lage dislocatiedichtheid van bulk GaN is essentieel voor het epitaxiale substraat omdat de hoge dislocatiedichtheid prestatiekenmerken kan beïnvloeden zoals BV, omgekeerde lekkagestroom, productievolume, en betrouwbaarheid [16]. De ontwikkelingen van verticale GaN-gebaseerde devices zijn gedreven door de vooruitgang van het GaN-substraat in de laatste jaren. Echter, gegeven de relatief onrijpe technologie voor de verticale triode, is de verticale GaN-diode een warm onderzoepsonderwerp geworden op dit beginstadium. In vergelijking met AlGaN/GaN SBDs, hebben verticale GaN SBDs vergelijkbare voordelen op frequentievelden zoals hoge schakelsnelheid met lage omgekeerde hersteltijd en lage geleidingsverlies; niettemin heeft de laatste grote stroomdichtheid en minder lekkagepaden dan de eerste [17, 18].

Er zijn enkele kwesties voor het GaN-substraat gerezen. Ten eerste, GaN-substraten zijn momenteel beschikbaar met dislocatiedichtheden van 10⁴–10⁶ cm⁻², maar deze dislocatiedichtheden zijn nog steeds veel hoger dan die van Si- en SiC-substraten [19]. Ten tweede, met betrekking tot de 4–6 inch wafergrootte en redelijke kosten (10 euro/cm²) van SiC, remmen de 2–3 inch grootte en relatief hoge kosten (100 euro/cm²) van het GaN-substraat de commercialisatie en productiviteit op grote schaal [20]. Naast het vergroten van de leveranciers, is hetero-epitaxie op vreemde substraten (Si, safier, of SiC) een alternatieve manier om de kosten van het GaN-substraat te verlagen, maar de uitdaging van relatief hoge mismatch en defecten moet worden aangepakt.

Naast de bovengenoemde kwesties in bulk-materialen, is de uitdaging voor de GaN-diode om een hoge kwaliteit van het p-type materiaal te bereiken. Met betrekking tot de relatief geavanceerde technieken voor het vormen van p-type SiC door Al-ionimplantatie, zijn onrijpe p-type ionimplantatietechnologie en de lage acceptor-activatie voor p-type GaN vitale hindernissen, die de ontwikkeling van de structuur en fabricage van GaN-gebaseerde devices beperken. Dus worden verschillende soorten randafsluitingstructures voorgesteld om de GaN-diode prestaties te verbeteren en vormen een belangrijk deel van deze review.

Verticale GaN-gebaseerde devices op FS-substraat

Tot 10 jaar geleden werden de meeste GaN-diodes, inclusief SBDs en PNDs, geproduceerd op vreemde substraten die laterale of quasi-verticale devicestructuren vormden vanwege de onbeschikbaarheid van een bulk GaN-substraat. Laterale of quasi-verticale diodes tonen uitstekende elektrische karakteristieken, maar ze lijden nog steeds aan inherent nadelen van de devicestructuur [21]. Ten eerste, mismatch en defecten zijn onvermijdelijk. Dan, voor GaN-devices op vreemde substraten, is een buffer essentieel tussen de GaN-driftlaag en het vreemde substraat. Dus, de spanningsontspanning van de bufferlaag zou een wafer-kromming veroorzaken, wat de dikte van de GaN-epitaxielagen zal verlagen [22]. Bovendien heeft de grote thermische grensweerstand (GaN met substraat) een ernstige invloed op de deviceprestaties voor GaN-devices die werken bij hoge energiedichtheid [23].

Volgens de ontwikkeling van epitaxietechnieken, heeft vrijstaand GaN (FS-GaN) substraat met lage dislocatiedichtheid gebruikt voor verticale GaN-devices grote vooruitgang geboekt. De materiaalkwaliteit van homo-epitaxiaal GaN op het FS-GaN-substraat heeft een duidelijke verbetering en toont potentieel voor power-toepassingen. Verticale GaN-devices kunnen de nadelen van laterale GaN-tegenhangers verlichten. Ten eerste, dikker GaN-epitaxielagen kunnen gegroeid worden zonder enige buffer, en hogere BV (die die van laterale GaN-devices overschrijden) kunnen verkregen en bepaald worden door de dikte van de driftlaag. Tegelijkertijd is een maximaal elektrisch veld gelegen in het binnenste deel van devices en ver van het deviceoppervlak (het effect van elektrontrapping wat doorgaans optreedt in laterale devices eliminerend). Gegeven de hoge kwaliteit van het FS-GaN-substraat, zijn verticale GaN-devices bestudeerd sinds 2011 [24]. Sindsdien zijn verticale GaN PNDs met hoge BV en lage aan-toestandsweerstand geproduceerd en bereiken opmerkelijke prestaties.

PND versus SBD

Voor praktische toepassingen zijn diodes essentiële componenten voor power-conversie en -inversie [25]. Met de distincte materiaaleigenschappen van GaN, vertonen GaN-gebaseerde diodes (SBDs en PNDs) opvallende prestaties, die verwacht worden om te voldoen aan de eisen van power-toepassingen. Zoals getoond in Fig. 2, hebben PNDs het grootste bereik onder GaN-devices met gevarieerde structuren en uithoudspanningen van 600 tot 5000 V, een kenmerk dat bredere toepassingsscenario's aangeeft.

In vergelijking met PNDs, die geen minderheidsladingsdrager-opslagprobleem hebben en lagere SBD-barrièrehoogte, hebben GaN SBDs een lage voorwaartse aan-spanning (V_on) en snelle omgekeerde herstel, en deze karakteristieken wijzen erop dat de merieten van SBD geopenbaard worden in lage geleidings-/schakelverliezen, hoge-frequentie operatie, maar een lagere BV-waarde dan die van PND; علاوة على ذلك, let op dat hoge aan-spanning kan leiden tot hoge geleidingsverlies en de efficiëntie van circuits en systemen degradieren [27, 28].

Op het hoog-energieveeld hebben quasi-verticale of verticale SBDs uitstekende voordelen ten opzichte van AlGaN/GaN SBDs [29]. Bovendien wordt een lage aan-spanning (< 0,5 V) bereikt door de barrièrehoogte aan te passen met een laag-werkfunctie metaal. Echter, een lage barrièrehoogte kan gemakkelijk leiden tot hoge omgekeerde lekkagestroom en de BV verlagen. Gevolgd worden gevarieerde randafsluitingstructures voorgesteld om de prestaties te verbeteren. Door de hulp van gevarieerde randafsluitingstechnologieën [27, 28, 30, 31], wordt de hoge stroomdichtheid op KA/cm²-niveau met BV's boven 1 kV bevestigd. Tegelijkertijd vertonen verticale SBDs ook grote capaciteit voor hoge frequentie, zoals 177–183 GHz en een maximum van 902 GHz afsnijfrequentie bij 0 V, een kenmerk dat verwacht wordt voor power-bronnen in terahertz-draadloze communicatiesystemen [12, 32].

Met betrekking tot n-type GaN, werd p-type GaN gegroeid door metalorganische chemische dampafzetting (MOCVD) en moleculaire straal-epitaxie (MBE) geïntroduceerd door Mg als acceptor te gebruiken [33]. In vergelijking met GaN SBDs, hebben GaN PNDs veel voordelen, zoals lage specifieke aan-weerstand (R_on A) en adequate devicestabiliteit en capaciteit om golfstromen te remmen. Ondanks de hoge aan-spanning (> 3 V) en relatief lage schakelsnelheid, wordt een ultra-lage lekkagestroom verkregen door de hogere barrièrehoogte en hoge BV. Let op dat een hoge BV van 0,6 tot 5 kV de meest opvallende prestatie is voor GaN-gebaseerde PNDs. Dus hebben GaN-gebaseerde PNDs groot potentieel als belangrijke bouwstenen van de volgende generatie power-systemen voor hoge-vermogen toepassingen, die hoge efficiëntie en laag energieverlies vereisen [34]. Vergelijkbaar met verticale GaN SBDs, worden de randafsluitingen voor GaN PNDs ook geproduceerd om het elektrisch veldverzamelings-effect rond de anode te verlichten, een kenmerk dat later in detail in dit artikel beschreven wordt.

In power-devices kan de PN-overgang ook behandeld worden als een nieuwe overgangsstructuur. Voor het benutten van een hoge BV met lage omgekeerde lekkagestroom van PNDs, hoge schakelprestaties en lage aan-spanning van SBDs tegelijkertijd, genereren nieuwe devicestructuren inclusief de junction barrier Schottky (JBS) en merged PN Schottky (MPS) een combinatie van SBD en PND door de vorming van p-type roosterregio's in de Schottky-contactregio. JBS of MPS devices bezitten de karakteristieken van voorwaartse geleiding van SBDs en omgekeerde blokkade van PNDs en worden verwacht om betere schakelprestaties en hogere omgekeerde spanning te hebben dan conventionele PNDs en SBDs, respectievelijk [35].

Naast hun hoge-vermogen toepassing, worden GaN PNDs ook gebruikt voor opto-elektronische devices zoals licht-emitterende diodes (LEDs), fotodetectors, en voor vlamdetectie vanwege de lage donkere stromen van een paar pA in GaN-gebaseerde PN-overgangs-fotodiodes [36, 37].

Doel van deze review

Op basis van de superieure materiaaleigenschappen van GaN, zijn GaN-gebaseerde devices wijd onderzocht en gebruikt in power-elektronische toepassingen als een van de heetste halfgeleidermaterialen. Onder GaN-gebaseerde devices is de verticale GaN-gebaseerde PND aanzienlijk verkend en toont uitstekende BFOM. De randafsluitingstechnieken zijn ook essentieel om het elektrisch veldverzamelings-effect rond de anode-pad te verlichten.

In deze review worden de vooruitgang in materiaal-epitaxiegroei en randafsluitingstechnieken als hoofdnadruk gevolgd door het illustreren van de huidige GaN-ontwikkelingen, de verschillen tussen GaN SBDs en PNDs in termen van mechanismen en kenmerken, en de voordelen van verticale devices ten opzichte van laterale. Deze review biedt een uitblik en onthult de ontwerptrend van verticale GaN PNDs gebruikt voor een power-systeem, inclusief beginvormige verticale GaN PNDs. De ontwikkeling van epitaxiegroei overeenkomend met een andere laag in verticale GaN PNDs wordt geïntroduceerd in Sect. 2. De randafsluitingstechnieken worden verkend in Sect. 3. In Sect. 4 worden verticale GaN PNDs op Si-substraat gedemonstreerd als een alternatieve methode. Ten slotte worden de conclusie en uitblik van toekomstige ontwikkeling van verticale GaN PNDs gegeven.

Materiaal epitaxiegroei

GaN-substraat van verticale PNDs

Als een mainstream epitaxiaal proces, worden verticale device-epitaxielagen momenteel voornamelijk gegroeid door MOCVD op geleidende GaN-substraten geproduceerd door hydride dampfase epitaxie (HVPE). In deze structuur beïnvloedt de kwaliteit van het substraat direct de volgende epitaxiale structuur. Veel falenmechanismen in het device ontstaan uit substraat-epitaxiekwaliteit [38]. Een hoge kwaliteit van geleidend GaN-substraat moet verkregen worden om de voorwaartse en omgekeerde I-V prestaties verder te verbeteren, met name de omgekeerde lekkagestroom en BV-capaciteit.

Substraat gegroeid door HVPE wordt beschouwd als een meest handige methode voor massaproductie vanwege de relatief lage kosten en reproduceerbaarheid. Echter, in het beginstadium betekende de onrijpe groeitechnologie dat GaN-substraat gegroeid door HVPE een hoge achtergrondladingsdragerconcentratie (> 10¹⁹ cm⁻³) en ontevredenen kristalkwaliteit had. Daarom werd HVPE niet gebruikt om de devicestructuur te groeien [39]. Door de snelle ontwikkeling van epitaxiegroeitechnologie, worden hoge-kwaliteit bulk GaN-materialen door HVPE geleidelijk mogelijk [40, 41]. Naast het substraat, kan de gedeeltelijk epitaxiale laag in het device nu door HVPE gegroeid worden en kan resulteren in hogere stroomuniformiteit en eliminatie van de macro-stap op het GaN-oppervlak door HVPE en het MOCVD-epitaxiale proces met koolstofvrije technologie te combineren vergeleken met devices uitsluitend gegroeid door MOCVD [42].

Momenteel is een commercieel GaN-substraat met minimale dislocatiedichtheid van minder dan 10⁴ cm⁻² beschikbaar. De GaN verticale PNDs op lage-defectdichtheid GaN-substraat werden verwerkt. Echter, wafer-kromming blijft een kwestie. Als een veelbelovende oplossing, kan de ammonothermale methode een GaN-substraat met betere epitaxiekwaliteit bereiken. Met hoge-druk autoclaven en superkritisch ammoniak, kan de threading-dislocatie aanzienlijk verminderd worden tot 10⁴–10⁵ cm⁻² [43]. Met behulp van de ammonothermale methode, werd een lage weerstand van 0,001 Ω cm² in het GaN-substraat met hoog gedopeerd n-type (1 × 10¹⁹–1 × 10²⁰ cm⁻³) gerapporteerd alsmede de BV van 3 kV [44]. Echter, het nadeel van de ammonothermale methode is de lage groeisnelheid van ongeveer 80–90 µm/dag, een kenmerk dat nadelig is voor praktische productie. Het verbeteren van de groeisnelheid en het behouden van hoge materiaalkwaliteit zijn ook winstgevende richtingen voor volgend onderzoek.

Naast het commerciële GaN-substraat, werden enkele substraten ook onderzocht voor distincte prestaties, inclusief de niet-Ga-vlak (c-vlak) substraten. Over het algemeen wordt een Ga-polair (d.w.z. c-vlak) substraat gebruikt voor een verticale GaN-device. Dan tonen de volgende epitaxielagen een drastisch polarisatie-effect. Echter, in de tegenovergestelde richting van de Ga-polair tegenhangers, tonen de homo-epitaxiale lagen langs de N-polair richting unieke device-eigenschappen vanwege de hogere ontledingstemperatuur en polariteits-afhankelijke eigenschap [45, 46]. Met het N-polair einkristal FS-GaN-substraat, werd een elektrisch veld van 2,2 MV/cm zonder enige randafsluitingen bereikt, alsmede een BV van 2,4 kV met N₂O oppervlakte-plasmabehandeling en veldplaat (FP) [46, 47]. Als een ander speciaal GaN-substraat, trekt het m-vlak ook brede aandacht gegeven de niet-polair eigenschap waarvoor de Ga:N 1:1 was in het m-vlak ten opzichte van alleen Ga in de c-polair en alleen N in de N-polair substraten. Met dit niet-polair GaN-substraat, werden de karakteristieken van PNDs gerapporteerd met het kritische elektrisch veld van 2,0 MV/cm en hoge aan/uit verhouding zonder FP of randafsluiting [48].

N-GaN epitaxiële technieken

Voor het bestaan van hoge-kwaliteit geleidende GaN-substraten, werden GaN PNDs voornamelijk geproduceerd op vreemde substraten inclusief Si, SiC, en safier. Daarom was de structuur van devices altijd beperkt tot laterale. Een methode gebaseerd op de laterale structuur werd voorgesteld om de epitaxiale kwaliteit te verbeteren. Gegeven lage threading-dislocatie (TD) op het venstergebied bij laterale devices, kan de GaN-epitaxiale laag lateraal gegroeid over het masker een veel lagere TD-dichtheid bereiken. Dus werd laterale epitaxiale overgroei uitgevoerd om de GaN-epitaxiale laag op een safiersubstraat te groeien voor laterale PNDs. De omgekeerde lekkagestroom werd met drie ordes van grootte onderdrukt [49].

Met de ontwikkeling van epitaxiatechnologie, werden hoge-kwaliteit einkristal GaN-substraten met lage dislocatiedichtheden van 3 × 10⁻⁶ cm⁻² beschikbaar, en werden GaN PNDs geproduceerd op GaN-substraten. Gecombineerd met bovenste epitaxielagen door MOCVD gegroeid, tonen de devices een lage lekkagestroom en hoge BV van 600 V tot 4 kV overeenkomend met drift-dikte van 6 tot 40 µm [16, 50]. Ten opzichte van het device op het safiersubstraat, verbeterden omgekeerde lekkagestroom en BV aanzienlijk [51].

Met het eigen GaN-substraat, treedt meestal geen speciale bufferlaag op in de PND-epitaxiale structuur zoals die op een vreemd substraat. Het effect van de bufferlaag in de PND op het GaN-substraat werd als referentie onderzocht. Het bestaan van een bufferlaag betekent dat de driftlaag een lagere defectdichtheid heeft. Tegelijkertijd kan een hogere BV verkregen worden met een dunner driftlaag maar een dikker bufferlaag. De omgekeerde lekkagestroom van het device werd ook verbeterd. Deze deviceparameters vertonen een sterke relatie met de dikte van de bufferlaag, die een geringe invloed heeft op de voorwaartse karakteristieken van het device [52].

De bovenste epitaxielagen worden afgeschieden door MOCVD, metalorganische dampfase epitaxie (MOVPE), en MBE, zoals besproken in deze sectie. De epitaxiale structuur van PNDs omvat een hoog gedopeerde n⁺-GaN-laag en een driftlaag van n⁻-GaN tussen het substraat en p-GaN (Fig. 3). De hoog gedopeerde n⁺-GaN-laag fungeert als een overgangslaag op het geleidende GaN-substraat in sommige rapporten.

Over het algemeen bepaalt de BV de toepassingsscenario's van devices. Bijvoorbeeld, de hogere BV voor een SiC-device ten opzichte van dat met GaN stelt het SiC-device in staat om gebruikt te worden in hoge-vermogen en hoge-spanning toepassingen zoals elektrische voertuigen en kogeltreinen (Fig. 1). Op dezelfde manier worden PN-diodes meestal toegepast in hogere spanningen ten opzichte van de Schottky-diode en HEMTs. In PNDs wordt de BV voornamelijk gedragen door de driftlaag (licht gedopeerde n⁻-GaN-laag) met de verbreiding van de depletieriool (zoals weergegeven in Verg. 1 met aangelegte spanning V waarvoor V positief/negatief is voor de voorwaartse/omgekeerde bias wanneer het device onder omgekeerde bias is. Bovendien treedt doorbraak op met verdere toename van de omgekeerde bias.

Volgens de depletiebreedte, kunnen devices ingedeeld worden in non-punch-through [W_D > W_Dm (W_Dm: maximale depletielaag-breedte)] en punch-through (W_D < W_Dm). Gegeven de kwesties van epitaxiestructuur en rand, vallen de meeste verticale GaN-devices onder de punch-through type, d.w.z. hun depletieriool breiden zich uit over de gehele n⁻-GaN-laag en bereiken het n⁺-GaN-substraat vóór doorbraak.

Bovendien, zoals beschreven in Verg. (2), kan de BV verbeterd worden door de dikte te verhogen en de n-type dotingconcentratie van de driftlaag te verlagen.

Waarbij E_C, q, t, N_D, en ε_r het kritische elektrisch veld, elektronische lading, n⁻-GaN-laagdikte, netto ladingsdragerconcentratie van de n⁻-GaN-laag, en halfgeleiderpermittiviteit zijn, respectievelijk [54]. Gelukkig wijst ervaring erop dat een driftlaag met dikere dikte en lagere doting slechts bijdraagt tot een lichte toename van de aan-toestandsweerstand in voorwaartse geleiding.

In vergelijking met het verbeteren van de BV door de driftlaagdikte te verhogen, is het verlagen van de n-type dotingconcentratie in de n⁻-GaN-laag momenteel moeilijk, vanwege de hoge achtergrondconcentraties inclusief die van Si, O enz. Voor verdere verlaging van de dotingconcentratie in de n⁻-GaN-laag, wordt de ongewille dotingconcentratie onderzocht. Veel onderzoepsgroepen introduceerden een nominale i-GaN benadering 10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³ contacterend p-GaN om de p–i–n structuur te vormen om de BV van diodes te verbeteren [55].

Zeker, de voorwaarde van deze maatregelen is een hoge epitaxiale kwaliteit van de driftlaag omdat de TDs de uit-toestandslekkerstroom kunnen verhogen en de BV-eigenschappen kunnen degraderen [56].

Om de epitaxiale kwaliteit van de driftlaag in verticale GaN PNDs verder te verbeteren, werd groei door MBE onderzocht op het GaN-substraat. Een lekkagestroom van minder dan 3 nA/cm² en elektrisch veld van 3,1 MV/cm werden verkregen door de zeer lage dislocatiedichtheid. De bijna ideale doorbraakprestaties wijzen erop dat MBE een effectieve methode is voor het groeien van epitaxielagen in verticale GaN PNDs [56]. Echter, vergelijkbaar met ammonothermale groei, is de epitaxialesnelheid een ander nadeel.

P-GaN epitaxie

P-GaN, een belangrijk onderdeel in verticale GaN PNDs, werd in 1989 gerapporteerd sinds het verschijnen van GaN door HVPE in 1969 [57, 58]. Het werd eerst gebruikt om blauwe LED te verkrijgen. Dan werd p-GaN geleidelijk gebruikt in elektricadevices veld zoals normaal-uit devices en PNDs. In verticale GaN PNDs, vormt p-GaN lichte (rond 10¹⁹ cm⁻³) en zware (≥ 10²⁰ cm⁻³) dotingconcentraties, die corresponderen met het vormen van een PN-overgangslaag met de driftlaag en het faciliteren van ohmische contacten als de anode-elektrode.

Over het algemeen wordt de epitaxiale groei van p-GaN geproduceerd door MOCVD bij een temperatuur van ongeveer 1000 °C en gebruikt Mg²⁺ als acceptor. Dan moet de gegroeide p-GaN-laag geactiveerd worden bij hoge temperaturen van 700–800 °C in N₂-omgeving of 400 °C in O₂-omgeving, waardoor een relatief hoge gatconcentratie vergemakkelijkt wordt [59,60,61]. Echter, de hoge ionisatie-energie van 150–200 meV van Mg-H-binding betekent een p-GaN-activatiesnelheid van slechts 1–3%. Een lage activatiesnelheid is ook gerelateerd aan de temperatuur. De Mg-dopanten kunnen her-passeerd worden bij hoge temperaturen van ≥ 600 °C in NH₃ of waterstof-omgeving [62]. Om de gatconcentratie te verbeteren, is alleen de dotingconcentratie verhogen niet haalbaar omdat een hogere dotingconcentratie in p-GaN kan leiden tot verslechtering van de kristalkwaliteit van de laag en de gatdichtheid verminderen door een zelf-compensatie-effect [63]. Op dit moment kan een piek van gatdichtheid meestal bereikt worden bij een acceptorconcentratie van ongeveer 3 × 10¹⁹ cm⁻³ [64]. Hoewel er enkele kwesties zijn voor p-GaN, zijn gerelateerde onderzoeksrapporten niet veel. Het kan toegeschreven worden aan twee redenen. Een is de beperkingen van de intrinsieke eigenschappen van materiaal en epitaxiale apparatuur. Een ander is dat het huidige p-GaN ook vergelijkbare deviceprestaties kan verkrijgen.

Echter, de optimalisatie van de groeicondities en nieuwe epitaxiale processen worden nog steeds onderzocht. Bijvoorbeeld, in 2017 werd niet-geactiveerde hergegroeid p-GaN door MBE voorgesteld en heeft een voordeel ten opzichte van MOCVD. Met de lage waterstof-groeicomgeving, werden een BV van 1,1 kV en idealiteitsfactor van 2,5 bereikt door de geproduceerde verticale GaN PNDs [65]. Een andere interessante p-GaN-fabricatiemethode is Mg-ionimplantatie met een ultra-hoge-druk annealing (UHPA) proces. De resultaten onthullen dat een hoge activatieratio van 70% en gatmobiliteit van 24,1 cm²V⁻¹s⁻¹ bereikt werden met een post-implantatie annealing bij temperatuur van 1573–1753 K in N₂-druk van 1 GPa. Dit resultaat is vergelijkbaar met dat van epitaxiegroei door MOCVD [66].

Concluderend, voor substraat, is het commerciële lage-defect GaN-substraat nu beschikbaar. Tegelijkertijd ontwikkelt epitaxiatechnologie zich nog steeds, een situatie die de deviceprestaties sterk beïnvloedt. In vergelijking met MOCVD, kan MBE uitstekende epitaxiale kwaliteit bereiken, wat resulteert in grote deviceprestaties zonder enige randafsluitingen. Echter, de trage groeisnelheid en hoge kosten maken MBE ongeschikt voor grootschalige productiviteit. De epitaxiegroei door MOCVD is nog steeds de hoofdproductiemethode in de praktijk. Dus het verbeteren van de kwaliteit van epitaxielagen gegroeid door MOCVD is een urgente kwestie, die veel tijd in beslag zal nemen. Daarom worden geavanceerde devicestructuurontwerp of maatregelen voorgesteld voor grote prestaties op dit stadium.

Randafsluitingstechnieken

Voor verticale GaN PNDs is BV een belangrijke parameter. Bijna alle onderzoeken op verticale GaN PNDs zijn gericht op het verbeteren van de uithoudspanning bij omgekeerde bias (d.w.z. BV). Echter, door het elektrisch veldverzamelings-effect aan de rand van de PN-overgang, de depletierand, of de elektroderand, treedt voor.matige doorbraak vaak op. Daarom, om het elektrisch veldverzamelings-effect van het device te verlagen, worden geavanceerde devicestructuurontwerpen (d.w.z. randafsluitingstechnieken) ontwikkeld. Gevarieerde randafsluitingstechnieken zijn nu gebruikt om het elektrisch veldverzamelings-effect aan de rand van GaN PNDs te verlichten voor een hogere BV. Deze technieken omvatten voornamelijk de veldplaat (FP), ionimplantatie en plasmabehandeling, en mesa-etsen in gevarieerde hoek of stappen en beschermingsringen (GRs) [49, 67,68,69]. Deze kenmerken worden in deze sectie besproken.

Metaal veldplaten

De FP is wijd gebruikt in GaN-gebaseerde devices voor het verplaatsen van het piekelektrisch veld ver van de rand van de gate, anode, of overgang. Deze methode heeft een identiek kenmerk om de intensiteit van het elektrisch veld aan de PN-rand onder omgekeerde bias te verlichten. Bovendien kunnen de lage lekkagestroom en hoge doorbraakspanning onder omgekeerde spanning bereikt worden door FP-afsluiting te gebruiken, wat een relatief eenvoudig fabricageproces heeft.

De merieten van de FP-structuur omvatten een eenvoudig fabricageproces en compatibiliteit met het deviceproces. Tegelijkertijd is de dielectricumlaag van FP ook de passivatielaag van het device. Als de vroegste en meest wijd gebruikte randafsluiting voor verticale GaN PNDs, werd de niet-uitgebreide FP-afsluiting initieel gebruikt, zoals getoond in Fig. 4a. Voor het fabriceren van de FP-structuur, werden mesa-structuren verwerkt door inductief gekoppelde plasma (ICP) droog-etsen. Dan, om de parasitaire lekkagestromen van plasmadeschade te onderdrukken, werd een passivatie-dielectricumfilm over de hele anode-elektrode en de gehele mesa-structuur afgeschieden [70].

Om het elektrisch veldverzamelings-effect aan de periferie van de PN-overgangsrand verder te verlichten, werd het uitgebreide metaal van de FP gebruikt om de hele mesa te bedekken om de omgekeerde lekkagestroom te verlagen en de BV te verhogen [71]. Deze geoptimaliseerde FP-structuur wordt nu wijd gebruikt in verticale GaN PND-fabricages. Zoals getoond in Fig. 4b, werd de BV verhoogd boven 3 kV met een uitgebreide FP-structuur. Tegelijkertijd werd de omgekeerde lekkagestroom ook onderdrukt tot een heel laag niveau bij omgekeerde spanning van 3 kV.

Als een essentieel onderdeel van de FP-structuur, heeft de passivatielaag een aanzienlijke impact op de devicekarakteristieken. Dus is een geschikte passivatielaag essentieel. Een passivatielaag met hoge-k permittiviteit wordt voorgesteld door simulatie, en uniforme omgekeerde stroomstroom kan ook verkregen worden [50]. Volgens deze theorie, werden verticale GaN PNDs met FP-afsluiting gebruikmakend van Ga₂O₃ (de dielectricumpermittiviteit van 10) als passivatiefilm gerapporteerd. De BV had een grote verbetering van 200 tot 550 V, wat onthult dat een hoge-k permittiviteit film zoals Ga₂O₃ veelbelovend is als passivatiefilm van FP-afsluiting in verticale GaN PNDs voor het verhogen van devicekarakteristieken [72]. Echter, enkele nadelen rijzen voor FP-afsluiting. Het hoofdkwestie is het defect tijdens de dielectricumlaagafscheiding en interface tussen het dielectricum en GaN, wat resulteert in ladingsdragervervanging. Deze zouden leiden tot de onstabiliteit van deviceprestaties tijdens langdurig gebruik. Daarom moet het geoptimaliseerde afscheidingsproces van de dielectricumlaag onderzocht worden.

Mesa-afsluiting

Mesa-etsen is een onmisbare stap om aangrenzende devices te isoleren in de fabricage van planaire GaN-gebaseerde devices. Gegeven het eenvoudige proces, is deze structuur populair voor verticale GaN PND-processen. Naast een uniform elektrisch veld aan de rand van de PN-overgang, kan een hoge BV met non-destructieve en avalanche-karakteristieken bereikt worden in PNDs. Bijvoorbeeld, een eenvoudige maar diepe mesa-structuur kan grote prestaties behalen. Zoals getoond in Fig. 5a, met meer dan 10 µm diepte van mesa-structuur in verticale PNDs, werden non-destructieve BV en avalanche-karakteristieken bevestigd [73].

De nieuwe mesa-structuren worden onderzocht zoals getoond in Fig. 5b. Een multi-mesa (twee-mesa) structuur werd gebruikt in verticale PNDs. Ten opzichte van de gemeenschappelijke enkele mesa-structuur, kan de twee-mesa-structuur het piekelelektrische veld verschuiven van de rand van de PN-overgang naar onder de uitgezette p-GaN in de bovenste mesa vanwege de totale depletie van gaten in de uitgezette p-GaN-laag. Een hoge BV van 4,7–4,8 kV met non-destructief kenmerk werd met succes bereikt door de twee-mesa-structuur. Avalanche-capaciteit werd verkregen zonder de voorwaartse I-V karakteristieken te verlagen [74]. Aan de andere kant, heeft de twee-mesa-structuur de identieke functie voor quasi-verticale PINDs [75]. De BV werd verbeterd van 665 tot 835 V met de lage lekkagestroom tegelijkertijd.

Naast de gemeenschappelijke loodrechte mesa-structuur, werd onlangs een mesa-structuur met negatieve afschuining voorgesteld om het elektrisch veldverzamelings-effect aan de rand van de PN-overgang te verlichten. Met de negatieve afschuining mesa, heeft het elektrisch veld aan de rand een dalende trend wanneer de afschuininghoek θ verlaagd wordt van 90˚. Het piekelelektrische veld zou in het binnenste van het device overgebracht worden. In [76], toonde experimenteel onderzoek dat afgeschuinde mesa-structuur (Fig. 6a) een hogere BV boven 3 kV en een lage lekkagestroom ten opzichte van BV van 3 kV in PNDs met steile mesa kon induceren bij gebruik van dezelfde FP-structuur. Vervolgonderzoek werd uitgevoerd door simulatie met behulp van technology computer-aided design (TCAD). In verticale GaN PNDs met afgeschuinde mesa (Fig. 6b), werd het maximale elektrisch veld bepaald door de acceptorconcentratie N_A in p-GaN, donorconcentratie N_D in n⁻-GaN driftlaag, en θ van de afgeschuinde mesa. Door theoretische analyse en simulatie, kon de kleinere θ leiden tot hogere E_pp (parallel-plaat doorbraakveld). Tegelijkertijd is een licht gedopeerde p-GaN gunstig voor het bereiken van hoge BV voor een vaste θ van de afgeschuinde mesa. Neem θ = 10° als voorbeeld, de experimentele resultaten ondersteunen deze bevindingen. Een parallel-plaat doorbraakveld van 2,86 MV/cm werd bereikt, en dit resultaat is consistent met de simulatie [77].

Vergelijkbaar met FP-afsluiting, is droog-etsen en/of isolator (of passivatiefilm) vereist in het proces van randafsluiting. Dus moet de schade van droog-etsen overwogen worden en kan een hoge omgekeerde lekkagestroom veroorzaken, zelfs voor.matige doorbraak. Tegelijkertijd is het een hoge eis aan geetapparatuur voor geetprecisie, en de geetdiepte is moeilijk te controleren. Bovendien genereert het bestaan van schade een meer gecompliceerde interface-toestand tussen de isolator en het geetste halfgeleider, een situatie die de devicebetrouwbaarheid zou beïnvloeden. Gevolgd is het verminderen of verlichten van schade een onvermijdelijk kwestie. Nu zijn enkele recepten (bijv. tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) en post-annealing die de kenmerken hebben van het verwijderen van schade door nat-etsen en het repareren van droog-etsenschade, respectievelijk) gebruikt om het geetste oppervlak te behandelen om de prestaties te verbeteren.

Ion-behandeling

Ionimplantatie werd gebruikt om de elektrische veldconcentratie nabij de rand te verlichten. Als een relatief eenvoudige afsluitingstructuur, werd een op implantatie gebaseerde techniek onderzocht in GaN-devices, wat de compenserende soorten (bijv. O, H, en Zn) of inerte soorten (bijv. Ar, N, He, en Kr) omvat om diepe-val te creëren in de afsluitingsregio's [78,79,80,81,82]. Onlangs, voor het matigen van het optreden van voor.matige doorbraak in verticale GaN PNDs, wordt de geïmplanteerde ion-afsluiting (bijv. N, F, Mg, en H) ook gebruikt. Echter, de mechanismen van deze geïmplanteerde ion-afsluitingen zijn verschillend.

Ten opzichte van verticale GaN SBDs [83], onthult N-implantatie in verticale GaN PNDs een ander mechanisme, wat het creëren van donor-achtige defecten (N-vacantie en N-interstitieel) inhoudt om de p-type dopanten te compenseren. Na verwerking door N-implantatie zoals getoond in Fig. 7a en b, kan de geleiding van p-GaN verminderd of geëlimineerd (isolerend) worden door N-implantatie [53]. Om de BV verder te verbeteren, werd een niet-volledig gecompenseerde laag voorgesteld, dat wil zeggen, een volledig gecompenseerde laag gekoppeld met een deels gecompenseerde tegenhanger in p-GaN. Dus werd een hogere BV verwacht, en het mechanisme werd geanalyseerd door simulatie [84]. De experimentele resultaten tonen aan dat N-implantatie met deels gecompenseerde p⁺-GaN een BV van 1,68 kV kon induceren zonder de voorwaartse karakteristieken te compromitteren [85].

De waterstof-plasma (H-plasma) randafsluiting kan ook de p-GaN-leiding verminderen, maar met een ander mechanisme. H-plasma-behandeling is een effectieve passivatiemethode om de geleidende p-GaN om te zetten in een hoog-weerstandige vanwege de sterke binding van Mg-H in p-GaN. In tegenstelling tot N-implantatie, is de H-plasma-behandeling meer geschikt voor gebruik in verticale GaN PNDs vanwege de lage schade, lage temperatuur, en eenvoudige bediening. Zoals getoond in Fig. 8a, vertoonden de PNDs een elektrisch veld van 3,0 MV/cm met alleen de H-plasma-behandeling. Tegelijkertijd toonden de devices vergelijkbare voorwaartse I-V karakteristieken en een lagere omgekeerde lekkagestroom [86].

Tegelijkertijd heeft fluor (F) ion ook de capaciteit om het piekelelektrische veld te moduleren door de negatieve vaste ladingen wanneer het device onder een omgekeerde bias is. Niettemin, als de F-geïmplanteerde randafsluiting uitgevoerd wordt in verticale GaN PINDs, zijn strikte ontwerp en structurele optimalisatie nodig [87].

Naast de N, H, en F ionimplantatie als randafsluitingen, is Mg-ionimplantatie ook een alternatieve methode om de oppervlak/interface-toestand te converteren, die voortkomt uit de schade van ICP droog-etsen. Een nieuwe Mg-ionimplantatie gekoppeld met moat-mesa werd onlangs gebruikt om de donor-achtige schade te compenseren voor GaN verticale PNDs (Fig. 8b). Dan werd een BV van 1,5 kV bereikt met een specifieke aan-toestands R_on van 0,7 mΩ cm² [88].

Ionimplantatie-afsluiting is een effectieve methode voor een hoge BV in verticale GaN PNDs. Het ionimplantatieproces is ook relatief eenvoudig. Echter, kristalschade treedt op tijdens hoge-energie ionimplantatie. Bovendien is post-annealing bij hoge temperatuur vereist in sommige van de ionimplantatie-afsluitingen om de kristalschade te verlichten. Het rechthoekige ionimplantatieprofiel wordt nastreven, dus de implantatiediepte moet precies gecontroleerd worden. Ten slotte, hoewel het ionimplantatieproces eenvoudig is, is de benodigde apparatuur duur door het gebruik van hoge-energie ionen.

Beschermingsringen

Het gebruik van drijvende beschermingsringen (GR) als randafsluiting om BV te verbeteren is een effectieve methode voor verticale GaN PNDs, waarvoor de omgekeerde spanning een spanningsval over de GR heeft om het elektrisch veldverzamelings-effect te verlichten. Tegelijkertijd vereist het GR-fabricageproces geen gespecialiseerde stap, wat synchroon is met anode-metaalafscheiding. Voor een hogere BV, werd een GR in de FP-structuur geproduceerd in de PNDs (Fig. 9a), waarin polyimide was geplaatst tussen de GR en anode-deel als weerstandsdevice voor een verdere spanningsval. Vanwege het weerstandsdeel, werd een incrementale 0,2–0,4 kV van BV tot een maximum van 5,0 kV verkregen. In vergelijking met normale PNDs zonder GR-structuur, vertoonde het device met een weerstands-GR vergelijkbare voorwaartse I-V karakteristieken met R_on van 1,25 mΩ cm², maar een lagere omgekeerde lekkagestroom met BFOM van 20 GW/cm² [69].

Naast de drijvende GR, werd de H-plasma-gebaseerde GR-structuur ook toegepast om de randafsluiting te vormen. Naast lage schade, kan de lage diffusiviteit van H-plasma resulteren in een relatief ideaal profiel in GaN [89]. Vanwege het passivatie-effect van H-plasma op p-GaN, wordt de geleidende p-GaN hoog-weerstandig, en de GR-structuur werd vervolgens gevormd door de hoog-weerstandige p-GaN-ring (Fig. 9b). De smalle GR-breedte van 1–2 µm en afnemende spacing werden gebruikt om de BV te verbeteren. GR-structuren met gevarieerde ringen werden gemeten. De PNDs met gevarieerde ringen hebben vergelijkbare voorwaartse karakteristieken met rond 0,65 mΩ cm² en een idealiteitsfactor van 1,65 vergeleken met die zonder GR. Meer GRs konden het elektrisch veld aan de devicerand verder verlichten. Dus vertoonden de devices een hogere BV door het verhogen van het aantal ringen na meting. Gevolgd toonden de PNDs een BV van 1,7 kV met het hoogste elektrisch veld van 3,43 MV/cm 10 GRs [90].

Het nadeel van GR is de lage oppervlaktebenuttingsgraad, en de GR-structuur vereist over het algemeen een groot oppervlak, wat zelfs groter is dan de anode. Dan verhoogt het aantal GRs de ontwerpmoeilijkheid zoals de breedte en spacing van de GR. Op dit moment worden twee en meer soorten randafsluiting in enkele verticale GaN PNDs gebruikt voor een hogere BV. Deze randafsluitingen omvatten typisch de FP, afgeschuinde mesa, en beschermingsringen vanwege de relatief eenvoudige fabricages. Aan de andere kant, zijn deze randafsluitingen niet bedoeld om vreemde elementen in het GaN-kristal te introduceren ten opzichte van ion-behandeling, een kenmerk dat gunstig is voor deviceprestaties. Echter, de kwaliteit van epitaxielagen neemt nog steeds een aanzienlijk deel in beslag.

Verticale GaN PNDs op Si-substraat

Tot nu toe, hoewel verticale GaN-op-GaN-devices uitstekende prestaties vertonen, belemmeren de hoge kosten en kleine diameter van GaN-substraten nog steeds hun grootschalige markttoepassingen. Rekening houdend met het voordeel van grote schaal en lage kosten van Si-substraat, hebben GaN-op-Si-devices op dit moment aanzienlijke aandacht getrokken.

Voor de quasi-verticale PND op Si-substraat, is hoge-kwaliteit buffer essentieel. In [91], zoals getoond in Fig. 10a, door het optimaliseren van de AlN-nucleatielaag en het opvolgende groeiproces, werd een GaN-driftlaag met een lage threading-dislocatie-dichtheid van 2,95 × 10⁸ cm⁻² en hoge elektronenmobiliteit van 720 cm²/Vs verkregen. Met de FP-structuur, heeft het device een BV van 820 V met R_on van 0,33 mΩ cm².

Naast de uitdaging van materialen-mismatch, zijn de geleidende bufferlaag en Si-substraat fundamenteel voor volledig verticale PNDs op Si-substraat. In Fig. 10b, werd een n⁺-type Si-substraat eerst gebruikt als de kathode van verticale PNDs. Vervolgens werden de Si-gedopte dunne AlN-laag en GaN/AlN gespannen superlatticelaag gebruikt om de deviceprestaties te faciliteren [92]. Verticale PNDs op Si-substraat worden voorgesteld met FP, en een BV van 288 V wordt bevestigd met een driftlaag van 1,5 µm. Bovendien wordt een hogere BV van 720 V in PNDs op Si met 5,7 µm driftlaag gerapporteerd in Fig. 10c [93]. In tegenstelling tot de geleidende Si-substraatmethode, werd de kathode-ohmische contact op de achterkant gemaakt door een gracht, die de n⁺-GaN-laag bereikt door de selectieve verwijdering van regulier Si-substraat en bufferlaag.

Naast de geleidende Si-substraat en gracht-ohmische contact op de achterkant, is substraatverwijderingstechnologie een alternatieve methode om verticale GaN PNDs op Si-substraten te produceren. In Fig. 10d, wordt een laag-overdrachtstechnologie gebruikt om verticale PINDs op Si-substraat te verwerken. Na Si-substraatverwijdering, overdracht, n-elektrode, en zijwandpassivatie, vertonen de devices een lage R_on van 3,3 mΩ cm² en BV van 350 V [94]. De hoge BFOM-waarde van 37,0 MV/cm² in PINDs toont aan dat substraatverwijderingstechnologie een effectieve manier is voor GaN-gebaseerde PIND-fabricage op Si-substraten. Ten opzichte van andere technologieën, zijn echter het meer gecompliceerde fabricageproces en hogere productiekosten kwesties die tijdens het substraatverwijderingsgedeelte aangepakt moeten worden.

Als een alternatieve technische route, worden PNDs op Si-substraten geproduceerd met quasi-verticale of verticale devicestructuren. Om de substantiële materialen-mismatch tussen het Si-substraat en GaN-epitaxiestapels te verlichten, moet een effectievere epitaxiatechnologie onderzocht worden. Voor een hogere BV, is dikker driftlaag ook essentieel voor een hogere BV. Dit feit presenteert een ander sleutelkwestie om te onderzoeken omdat de driftlaagdikte op Si-substraat ongeveer 5 µm is.

Toekomstige uitdagingen en conclusie

Verticale PNDs zijn essentieel om gelijktijdig hoge stroom (> 100 A) met hoge spanningen (> 600 V) te verkrijgen, wat kan voldoen aan de eisen van diverse toepassingen inclusief elektrische voertuigen en hernieuwbare energieverwerking. Ondanks de grote vooruitgang die bereikt is, blijven toepassingen van verticale GaN PNDs verschillende barrières zoals kosten en technische beperkingen.

Voor FS-GaN-substraat, is hoge epitaxiale kwaliteit met lage threading-dislocatie bereikt door een gemeenschappelijke MOCVD. De kleine grootte en hoge kosten van het FS-GaN-substraat beperken de toepassingen van verticale GaN PNDs binnen een smal bereik, en de kleine grootte verhoogt ook de prijs van GaN. Het commerciële GaN-substraat is slechts 2-inch en veel kleiner dan 4–6 inch SiC en 8–12 inch Si-substraten. De primaire uitdaging voor verticale GaN PNDs is het bereiken van hoge epitaxiale kwaliteit, met name de hoge kwaliteit van de p-GaN-laag met een hoge gatconcentratie. Onlangs worden nieuwe PNDs voorgesteld door p-GaN te vervangen door NiO_x gesynthetiseerd door thermische oxidatie of sputteren; grote prestaties worden ook gedemonstreerd als vervanging van p-GaN in verticale PND en beschermingsring in GaN SBD [95,96,97,98].

Verticale GaN PNDs, als een van de meest veelbelovende power-devices, worden in deze studie gereviewd en samengevat. De recente vooruitgang op verticale GaN PNDs, inclusief vergelijking van verschillende materialen (SiC vs. GaN) en verschillende devicestructuren (SBD versus PND), materiaal-epitaxiegroei en randafsluitingstechnieken (FP, MESA, geïmplanteerde ionen en GR randafsluitingen), worden besproken. De waarden van R_on versus BV door gevarieerde technologieën worden uitgezet in Fig. 11. Naast de epitaxiale technieken, spelen randafsluitingstechnieken een cruciale rol voor verticale GaN PNDs om hoge deviceprestaties op dit stadium te bereiken. Ondanks de grote vooruitgang in termen van deviceprestaties, blijven de voordelen van verticale GaN PNDs onderbenut. De karakteristieken van verticale GaN PNDs kunnen bevorderd worden door het optimaliseren van de devicestructuur en epitaxiale kwaliteit in opvolgende studies. Dan zullen gecommercialiseerde verticale GaN PNDs binnenkort beschikbaar zijn in de toekomst met rijpe randafsluiting en epitaxiale technieken.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die gebruikt of geanalyseerd zijn tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op redelijk verzoek.

Afkortingen

GaN:

galliumnitride

SiC:

siliciumcarbide

PND:

PN-overgangsdiode

PIND:

P-i-N-overgangsdiode

SBD:

Schottky-barrierediode

IGBT:

geïsoleerde-gate bipolaire transistors

BJT:

bipolaire transistor

MOSFET:

metaal-oxide-halfgeleider veld-effect transistor

BFOM:

Baliga's figure of merit

HFET:

heterostructuur veld-effect transistor

JFET:

junction veld-effect transistor

2DEG:

tweedimensionaal elektrongas

BV:

doorbraakspanning

FS:

vrijstaand

MOCVD:

metaalorganische chemische dampafzetting

MBE:

moleculaire straal-epitaxie

JBS:

junction barrier Schottky

MPS:

merged PN Schottky

LED:

licht-emitterende diode

HVPE:

hydride dampfase epitaxie

FP:

velplaat

TD:

threading-dislocatie

MOVPE:

metaalorganische dampfase epitaxie

HEMT:

hoge elektronenmobiliteit transistor

UHPA:

ultra-hoge-druk annealing

GR:

beschermingsring

ICP:

inductief gekoppelde plasma

TCAD:

technology computer-aided design

TMAH:

tetramethylammoniumhydroxide