7月6日，Power Electronics News報道了加州大學圣塔芭芭拉分校Zachary Biegler團隊在氮化鎵功率器件領域的一項研究成果。該團隊成功演示了一款橫向GaN超級結肖特基二極管，擊穿電壓達到860V，且整個制備過程未采用選擇性外延再生長工藝。
超級結電荷平衡概念已在硅基MOSFET功率器件中得到成功應用。如今業界正將更多注意力放在運用該技術改善寬禁帶功率器件的性能指標上。本文總結了將超級結結構應用于橫向氮化鎵肖特基二極管的初步研究結果，這些結果顯示了良好前景。
超級結器件工程
對于額定電壓超過數百伏的器件，漂移區對導通電阻的貢獻占主導地位。要實現更高的關態耐壓，就需要采用摻雜濃度更低、厚度更大的漂移區。在硅基MOSFET中，導通電阻與擊穿電壓存在以下近似關系：
超級結概念用交替的n型和p型摻雜區域取代了n型漂移區，這些區域處于電荷平衡狀態。由于在更低的電壓下即可實現耗盡，導通電阻與擊穿電壓之間可以達到近似線性關系：
這使得n型漂移層的摻雜濃度可以進一步提高，從而顯著降低導通電阻。反過來看，在相同漂移摻雜濃度下，給定導通電阻時可以實現的擊穿電壓也會更高。
超級結MOSFET的制造方法之一，是在漂移區的大部分區域進行溝槽刻蝕，再通過選擇性外延生長在溝槽內填充p型柱。另一種方法是多次外延生長，在 successive n型外延層之間進行掩模p型注入。
600V等級的硅基超級結MOSFET，理論上可比傳統MOSFET實現約30倍的比導通電阻改善，實際中這一倍數通常在5到10倍之間，具體取決于超級結柱的間距。
GaN超級結制造面臨的挑戰
將超級結概念從硅引入GaN面臨著諸多挑戰。垂直GaN-on-GaN器件制造本身就存在不少困難，比如低缺陷、大面積GaN襯底的制備難度大，Mg摻雜p型區域的選擇性摻雜也是難題。摻雜控制、激活效率以及注入損傷的抑制都是主要問題。在非平面襯底上進行外延再生長難度更大。超級結器件要求精確的電荷平衡，而實現p型摻雜劑良好激活需要高溫再生長，這可能導致摻雜劑互混和非均勻摻入。再生長的缺陷形成往往需要在摻雜激活與器件性能之間做折中，再生長界面處Si和O等雜質的摻入會造成摻雜補償。
一種自然的替代方案是采用基于標準橫向GaN HEMT制造技術的橫向超級結器件，無需選擇性再生長或摻雜的設計簡化了制造工藝。
已有多種嘗試。一種方案是使用NiO等后生長p型導電氧化物。利用GaN/AlGaN交替層中的極化電荷形成超級結也有相關研究。本文討論的是美國加州大學圣塔芭芭拉分校Zachary Biegler及其團隊展示的一種更簡單的全GaN p-n-p橫向超級結肖特基二極管。
橫向p-n-p GaN超級結肖特基二極管
圖1 （a）標準橫向GaN肖特基二極管（b）橫向超級結肖特基二極管的簡化截面圖
圖1(a)展示了標準橫向GaN肖特基二極管的簡化器件截面。肖特基陽極與歐姆陰極之間的n-GaN漂移區決定了器件的擊穿電壓。相比之下，圖1(b)所示的p-n-p結構則代表了超級結二極管。橫向陽極接觸的設計消除了對再生長p型層的需求。
采用全GaN結構而非AlGaN/GaN基設計，可以最大限度地減小應變并實現均勻的電場分布。使用更厚的層和更高的摻雜濃度有助于提高導電性。p-n-p結構理論上可以垂直重復堆疊，但原型器件采用的是單層三明治結構。
模擬采用的結構為：厚度50nm、摻雜濃度1×101?/cm3的p-GaN層，夾持1μm厚、摻雜濃度1×101?/cm3的n-GaN層（即n型和p型層的凈摻雜與厚度乘積匹配）。模擬顯示漂移區電場分布平坦，約為2.3MV/cm，峰值出現在頂部p-GaN/介質界面。10μm漂移長度在這些模擬中可實現2.3kV反向擊穿電壓。
為增強對電荷平衡的信心，研究團隊對分子束外延生長的層結構進行了SIMS電荷摻雜分析。n型Si摻雜可通過摻雜源溫度進行控制，p型Mg摻雜則通過閥門開度百分比進行調節。雖然金屬有機化學氣相沉積是大規模量產中GaN生長的首選工藝，但MBE具有原子級精度、可生成更陡峭界面以及生長溫度更低等優勢。
MOCVD生長速率更快，但其前驅體含碳，可能對摻雜劑產生補償效應。由于MBE中此類補償雜質的含量較低，可實現更寬的摻雜濃度范圍。UCSB一直是氨分子束外延技術的先驅。富氮生長模式消除了GaN等離子體增強MBE中存在的鎵液滴問題。
本工作中，n型摻雜層MBE生長溫度為825°C，p型摻雜層為750°C。生長過程中使用了銦表面活性劑，其優勢在于可獲得更平滑的表面形貌并降低背景摻雜濃度。
超級結器件制作在藍寶石襯底上的Fe摻雜GaN上，在無意摻雜緩沖層下方包含一層100nm p型層，用于補償襯底界面處的n型施主。實際器件中，n型超級結層厚度為1.3μm，p型超級結層厚度為65nm。用于對比的標準肖特基器件僅使用了1.3μm、1×101?/cm3的n型摻雜層。
制備流程包括反應離子刻蝕形成器件臺面，原子層沉積Al?O?鈍化。歐姆接觸采用Ti/Au形成，肖特基接觸由Pd/Au金屬在旋轉蒸發沉積以確保側壁共形覆蓋。圖1所示的超級結和標準肖特基器件采用相同的制備步驟，漂移長度從10μm到50μm不等。
結 果
圖2：（a）橫向GaN超級結肖特基二極管和（b）標準橫向GaN肖特基二極管的IV曲線
超級結與標準二極管的正向特性相似，表明超級結層的使用并未造成性能退化。兩種器件都比預期更具電阻性，這是由于MBE生長n型層時采用了1μm/hr的高生長速率，導致電子遷移率偏低。若采用較慢的生長速率，有望改善這一狀況。
IV曲線中有一個值得注意的特征：超級結肖特基反向特性中約-40V處出現了一個“凸起”。這歸因于陽極接觸處p-GaN側壁的歐姆接觸不夠理想（理想情況下這應是一個反向偏置的歐姆p結）。該結處的肖特基行為會增加泄漏電流，直到溝道在更高反向電壓下通過垂直耗盡被夾斷。
超級結層帶來的最大改進體現在器件的擊穿電壓上。標準肖特基二極管在電壓低至10V時即發生擊穿，而超級結二極管可承受高達200V的電壓。漂移長度為40μm的超級結肖特基二極管實現了860V的最高擊穿電壓。
雖然這些超級結二極管的泄漏電流和擊穿電壓仍需進一步優化，但這項概念驗證研究前景良好，可為未來的改進奠定基礎。
文章來源：https://www.powerelectronicsnews.com/gan-lateral-superjunction-schottky-diode/
論文信息：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).
