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垂直型GaN功率电子器件: 结构、工艺与关键机制

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王军太, 韩在天, 杜佳宏, 谢选, 杨树. 垂直型GaN功率电子器件: 结构、工艺与关键机制[J]. 物理学报, 2026, 75(8): 080703. doi: 10.7498/aps.75.20251638
引用本文: 王军太, 韩在天, 杜佳宏, 谢选, 杨树. 垂直型GaN功率电子器件: 结构、工艺与关键机制[J]. 物理学报, 2026, 75(8): 080703. doi: 10.7498/aps.75.20251638
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Juntai WANG, Zaitian HAN, Jiahong DU, Xuan XIE, Shu YANG. Vertical GaN power electronic devices: Structure, fabrication, and key mechanisms[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(8): 080703. doi: 10.7498/aps.75.20251638
Citation: Juntai WANG, Zaitian HAN, Jiahong DU, Xuan XIE, Shu YANG. Vertical GaN power electronic devices: Structure, fabrication, and key mechanisms[J]. Acta Physica Sinica, 2026, 75(8): 080703. doi: 10.7498/aps.75.20251638
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垂直型GaN功率电子器件: 结构、工艺与关键机制

  • 中国科学技术大学国家示范性微电子学院, 合肥　230026

    • 作者简介: 第一作者.E-mail: juntai.wang@mail.ustc.edu.cn .
    通讯作者: E-mail: eesyang@ustc.edu.cn.

  • 中图分类号: 72.80.Ey, 85.30.-Z, 84.30.Jc, 85.30.Mn

Vertical GaN power electronic devices: Structure, fabrication, and key mechanisms

  • School of Microelectronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

    • Corresponding author: E-mail: eesyang@ustc.edu.cn.

  • MSC: 72.80.Ey, 85.30.-Z, 84.30.Jc, 85.30.Mn

  • 摘要: 相比于传统的基于异质外延材料的平面型GaN-on-Si器件, 垂直型GaN-on-GaN功率电子器件具有厚度更大、品质更高的同质外延层, 能够实现更高耐压、更高电流和更优异的动态性能, 对拓展GaN功率电子器件的电压等级、功率等级具有重要意义. 本文重点探讨了新型垂直结构GaN肖特基势垒二极管 (SBD)、PiN二极管和沟槽栅金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的相关研究, 主要包括: 1) 通过GaN特有的极化电荷和隧穿增强层新结构, 在垂直型GaN SBD中同时实现耐压的提升和开启电压的降低; 2) 基于直接带隙GaN的光电耦合效应, 在双极型GaN PiN二极管中同时实现了电导调制和零反向恢复特性; 3) 垂直型GaN二极管还展现出优异的动态电阻性能、浪涌耐量与抗高能质子辐照能力; 4) 通过AIN氮化界面层实现高迁移率、高品质因数的垂直型GaN沟槽栅MOSFET.
    Abstract: Compared with its lateral counterpart, vertical GaN-on-GaN device can extend the voltage/power ratings and yield superior dynamic performance, showing potential for high-frequency and high-efficiency power electronics applications. This work presents the recent advances in structure design, fabrication and key mechanisms of vertical GaN diodes and transistors, primarily including the follows. 1) By utilizing the tunneling-enhancement layer with polarization effects in GaN, the trade-off between forward conduction and reverse blocking capability in unipolar GaN diode can be optimized. 2) With photon recycling/re-absorption in the direct-bandgap GaN, the desirable conductivity modulation at on-state and zero reverse recovery during turn-off transient can be simultaneously achieved in bipolar GaN PiN diode. 3) Vertical GaN diodes exhibit current-collapse-free performance and superior surge current ruggedness. Moreover, ultrafast junction temperature mapping has been developed to identify the failure mechanism during surge current transients. 4) By virtue of an AlN interfacial-layer to suppress the interface traps and carrier scattering, vertical GaN trench MOSFET featuring a high inversion channel mobility and high Baliga’s figure-of-merit has been achieved.
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  • 图 1  (a)垂直型GaN SBD, (b)垂直型GaN PiN二极管与(c)垂直型GaN沟槽栅MOSFET面临的挑战

    Figure 1.  Challenges in (a) vertical GaN SBD, (b) vertical GaN PiN diode, and (c) vertical GaN trench MOSFET.

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    图 2  垂直型GaN-on-GaN SBD结构示意图

    Figure 2.  Schematic cross section of vertical GaN-on-GaN SBD.

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    图 3  垂直型GaN SBD的(a)正向I-V特性和(b)实测与计算的正向I-V特性; (c)肖特基界面处可能的载流子输运机制. 出自文献[17], 已获得授权

    Figure 3.  (a) Forward I-V characteristics of the vertical GaN SBD; (b) measured and calculated forward I-V characteristics; (c) possible carrier transport mechanisms at/near the Schottky interface. Reproduced with permission from Ref. [17].

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    图 4  (a)有无终端时GaN SBD的反向I-V特性曲线; (b)无终端与(c)有终端SBD在‒600 V时的仿真电场分布图. 出自文献[17], 已获得授权

    Figure 4.  (a) Reverse I-V characteristics of the unterminated-SBD and terminated-SBD; simulated electric field distribution in (b) unterminated-SBD and (c) terminated-SBD at –600 V. Reproduced with permission from Ref. [17].

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    图 5  (a)无TEL和(b)有TEL的垂直型GaN SBD在正向导通时的能带示意图对比; (c)无TEL和(d)有TEL的垂直型GaN SBD在反向阻断时的能带示意图对比; 主导的载流子输运机制也在图中标出. 出自文献[23], 已获得授权

    Figure 5.  Schematic energy band diagrams of the SBD (a) without TEL and (b) with TEL at a forward bias; schematic energy band diagrams of the SBD (c) without TEL and (d) with TEL at a reverse bias; the dominant current transport mechanisms are also shown. Reproduced with permission from Ref. [23].

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    图 6  有TEL的垂直型GaN SBD与无TEL的垂直型GaN SBD的比较(a)正向I-V特性和(b)反向I-V特性; (c)已报道的单极型垂直结构GaN二极管性能对比. 出自文献[23], 已获得授权

    Figure 6.  Comparison of the vertical GaN SBD with TEL and the vertical GaN SBD without TEL: (a) Forward I-V characteristics and (b) reverse I-V characteristics; (c) benchmark plot for reported unipolar vertical GaN diodes. Reproduced with permission from Ref. [23]

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    图 7  垂直型GaN-on-GaN PiN二极管结构示意图

    Figure 7.  Schematic cross section of vertical GaN-on-GaN PiN diode.

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    图 8  垂直型GaN PiN二极管的(a)正向I-V特性和微分RON,sp特性与(b)反向I-V特性; (c)已报道的双极型垂直结构GaN二极管性能对比. 出自文献[31], 已获得授权

    Figure 8.  (a) Measured I-V characteristics and corresponding differential RON,sp; (b) reverse I-V characteristics of the vertical GaN PiN diode; (c) benchmark plot for reported bipolar vertical GaN diode. Reproduced with permission from Ref. [31].

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    图 9  垂直型GaN (a) SBD与(b) PiN 二极管在不同通态电流下的正向电压漂移曲线(半对数坐标), 插图为线性坐标下的结果; (c)垂直型GaN PiN二极管在50 mA电流及不同温度下的正向电压漂移曲线(半对数曲线), 插图为线性坐标下的结果. 出自文献[43], 已获得授权

    Figure 9.  Time-resolved forward voltage shift of the vertical GaN (a) SBD and (b) PiN diode at various applied ON-state current in semi-log scale, inset represents voltage shift in linear scale; (c) time-resolved forward voltage shift of the vertical GaN PiN diode at 50 mA at elevated temperature in semi-log scale, inset represents voltage shift in linear scale. Reproduced with permission from Ref. [43].

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    图 10  GaN PiN二极管中两种可能的光子增强传导机制的能带示意图; 该机制涉及p-GaN中初始呈中性或已电离的缺陷态对辐射复合所产生光子的再吸收过程. 出自文献[45], 已获得授权

    Figure 10.  Energy-band diagrams illustrating two possible photon-enhanced conduction mechanisms (reabsorption of the radiative recombination by the initially neutral or ionized traps in p-GaN) in GaN PiN diode. Reproduced with permission from Ref. [45].

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    图 11  垂直型GaN PiN二极管在高能质子辐照前后的(a)正向I-V特性和微分RON,sp特性与(b)反向I-V特性. 出自文献[12], 已获得授权

    Figure 11.  (a) Quasi-static I-V characteristics with differential RON,sp; (b) reverse I-V characteristics of the fresh and irradiated GaN PiN diode. Reproduced with permission from Ref. [12].

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    图 12  (a)垂直型GaN JBS二极管; (b)垂直型GaN MPS二极管; (c)垂直型GaN TMBS二极管; (d)垂直型GaN SJ二极管的结构示意图

    Figure 12.  Schematic structure of (a) vertical GaN JBS diode, (b) vertical GaN MPS diode, (c) vertical GaN TMBS diode, and (d) vertical GaN SJ diode.

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    图 13  反向恢复特性测试　(a)双脉冲测试电路; (b)波形示意图; (c) 4种器件反向恢复特性对比. 出自文献[54], 已获得授权

    Figure 13.  Reverse recovery measurements: (a) Double-pulse test circuit; (b) waveform schematic; (c) comparison of reverse recovery characteristics among the four types of devices. Reproduced with permission from Ref. [54].

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    图 14  动态电阻测试　(a)测试电路; (b)波形示意图. 出自文献[54], 已获得授权

    Figure 14.  Dynamic RON measurements: (a) Test circuit; (b) waveform schematic. Reproduced with permission from Ref. [54].

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    图 15  (a)平面型GaN HEMT和(b)垂直型GaN SBD随导通时间变化的动态电阻/静态电阻; (c)两种器件在200 ns和500 ns时的动态电阻/静态电阻值. 出自文献[55], 已获得授权

    Figure 15.  Time-resolved dynamic RON/static RON of (a) lateral GaN device and (b) vertical GaN SBD; (c) extracted dynamic RON/static RON of the two types of GaN devices at 200 ns and 500 ns. Reproduced with permission from Ref. [55].

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    图 16  垂直型GaN PiN二极管从阻断VOFF为　(a) 100 V和200 V, (b) 300 V和400 V切换至导通ION为1—4 A时随时间变化的动态电阻/静态电阻; (c) 在500 ns和3000 ns时的动态电阻/静态电阻值. 出自文献[43], 已获得授权

    Figure 16.  Time-resolved normalized dynamic RON/static RON of the vertical GaN PiN diode after switching from VOFF of (a) 100 V and 200 V, (b) 300 V and 400 V to varying ION of 1–4 A; (c) dynamic RON/static RON extracted at 500 ns and 3000 ns. Reproduced with permission from Ref. [43].

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    图 17  (a)浪涌电流测试平台示意图; (b)由LC振荡产生的单次浪涌电流脉冲测试波形. 出自文献[57], 已获得授权

    Figure 17.  (a) Characterization platform for surge current ruggedness evaluation; (b) test waveform of a single surge current pulse generated by LC oscillation. Reproduced with permission from Ref. [57]

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    图 18  (a)垂直型GaN SBD和(b)垂直型GaN PiN二极管在不同峰值电流下的浪涌电流/电压波形; (c)两种器件在对应峰值电流范围内的I-V特性; (d)不同浪涌时间与峰值电流下垂直型GaN PiN二极管的电压峰值; (e)不同浪涌时间下, 垂直型GaN PiN二极管微分RON, sp随浪涌电流的变化. 出自文献[57], 已获得授权

    Figure 18.  Surge current/voltage waveforms of (a) vertical GaN SBD and (b) vertical GaN PiN diode with varied Ipeak; (c) corresponding I-V characteristics of both devices; (d) maximum surge voltage of the PiN diode under different tsurge and Ipeak; (e) differential RON, sp of the vertical GaN PiN diode as a function of surge current under different tsurge. Reproduced with permission from Ref. [57]

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    图 19  (a) tsurge为10 ms时, 垂直型GaN PiN二极管在不同峰值电流下的浪涌电流/电压波形; (b)浪涌电流测试后失效的垂直型GaN PiN二极管的SEM图像; (c)垂直型GaN PiN二极管在浪涌电流测试中失效瞬态的温度分布仿真图. 出自文献[57], 已获得授权

    Figure 19.  (a) Surge current/voltage waveforms of the vertical GaN PiN diode under different Ipeak with a tsurge of 10 ms; (b) SEM image of the vertical GaN PiN diode after surge-induced failure; (c) corresponding simulated temperature distribution at the failure instant during the surge current test. Reproduced with permission from Ref. [57].

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    图 20  (a)垂直型GaN CAVET; (b)垂直型GaN FinFET; (c)垂直型GaN JFET与(d)垂直型GaN沟槽栅MOSFET的结构示意图

    Figure 20.  Schematic structure of (a) vertical GaN CAVET, (b) vertical GaN FinFET, (c) vertical GaN JFET and (d) vertical GaN trench MOSFET.

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    图 21  具有AlN NIL的垂直型GaN沟槽栅MOSFET的(a)器件结构与(b)制备工艺流程. 出自文献[15], 已获得授权

    Figure 21.  (a) Perspective-view schematic cross sections and (b) key fabrication process steps of vertical GaN MOSFET with AlN NIL. Reproduced with permission from Ref. [15].

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    图 22  SiNx/AlN NIL/GaN界面的横截面SEM (左)与TEM (右)图像及界面处Ga, Al, Si元素分布. 出自文献[15], 已获得授权

    Figure 22.  Cross-sectional SEM micrograph (left) and TEM (right) micrograph of the SiNx/AlN NIL/GaN interface, and distributions of Ga, Al, and Si at the interface. Reproduced with permission from Ref. [15].

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    图 23  垂直型GaN沟槽栅MOSFET的电学特性　(a)转移特性(左)与输出特性 (右); (b)含与不含AlN NIL器件的反型层沟道迁移率对比. 出自文献[15], 已获得授权

    Figure 23.  (a) Transfer (left) and output (right) characteristics of vertical GaN trench MOSFET; (b) inversion μch of vertical GaN MOSFETs with and without AlN NIL. Reproduced with permission from Ref. [15].

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    表 1  国内外报道的GaN二极管与SiC二极管浪涌电流能力基准对比

    Table 1.  Benchmark of surge current capability of vertical GaN diodes and SiC diodes.

    器件类型 tsurge/ms Esurge/(J·cm–2)
    QV GaN JBS[63] 0.1—10 316 (10 ms)
    FV GaN PiN Diode[31] 0.005 —
    FV GaN PiN Diode[36] 10 180
    SiC JBSa) (SCS205KG)[36] 10 130
    SiC MPSb) (C4D05120A)[36] 10 221
    FV GaN PiN Diode w/o
    diamond[62]    		 10 323
    FV GaN PiN Diode w/
    diamond[62]    		 10 390
    注: QV, 准垂直(quasi vertical); FV, 完全垂直(fully vertical).
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    表 2  国内外报道的垂直结构GaN场效应晶体管关键器件参数对比[15]

    Table 2.  Comparison of the key device parameters of the state-of-the-art vertical GaN FETs[15].

    器件类型 RON/(mΩ·cm2) BV/kV VTH/V Channel mobility
    /(cm2·V–1·s–1)    		 ION/IOFF @ –1200 V w/regrowth
    沟槽栅MOSFET[72] 9.3 0.2 3.7 131 — No
    CAVET[73] 2.2 1.5 0.5 — 107 Yes
    沟槽栅MOSFET[74] 2.7 1.6 2 — 108 No
    沟槽栅CAVET[75] 1.0 1.7 2.5 1690 105 Yes
    FinFET[76] 0.2 1.2 0.5 — 104 Yes
    沟槽栅MOSFET[77] 2.2 1.4 4.7 185 105 Yes
    JFET[78] 0.8 1.4 1.3 — 106 Yes
    沟槽栅MOSFET[15] 2.0 1.4 4.1 205 108 No
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-30
  • 刊出日期:  2026-04-20

垂直型GaN功率电子器件: 结构、工艺与关键机制

    通讯作者: E-mail: eesyang@ustc.edu.cn.
    作者简介: 第一作者.E-mail: juntai.wang@mail.ustc.edu.cn
  • 中国科学技术大学国家示范性微电子学院, 合肥　230026
  • 收稿日期:  2025-11-30

摘要: 相比于传统的基于异质外延材料的平面型GaN-on-Si器件, 垂直型GaN-on-GaN功率电子器件具有厚度更大、品质更高的同质外延层, 能够实现更高耐压、更高电流和更优异的动态性能, 对拓展GaN功率电子器件的电压等级、功率等级具有重要意义. 本文重点探讨了新型垂直结构GaN肖特基势垒二极管 (SBD)、PiN二极管和沟槽栅金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)的相关研究, 主要包括: 1) 通过GaN特有的极化电荷和隧穿增强层新结构, 在垂直型GaN SBD中同时实现耐压的提升和开启电压的降低; 2) 基于直接带隙GaN的光电耦合效应, 在双极型GaN PiN二极管中同时实现了电导调制和零反向恢复特性; 3) 垂直型GaN二极管还展现出优异的动态电阻性能、浪涌耐量与抗高能质子辐照能力; 4) 通过AIN氮化界面层实现高迁移率、高品质因数的垂直型GaN沟槽栅MOSFET.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 宽禁带半导体氮化镓(Gallium Nitride, GaN)功率电子器件可突破传统硅基器件的本征极限, 实现高效、轻质、小型化的功率转换系统, 在新能源汽车、航空航天、大数据中心、激光雷达、智能电网等领域具有广阔应用前景[1,2]. 当前, 基于异质外延层的平面型GaN高电子迁移率晶体管 (high-electron-mobility transistor, HEMT)已成功商业化. EPC、GaN Systems、Infineon、Transphorm等公司已推出额定电压15—1200 V的平面型GaN HEMT商业器件. 另一方面, 近年来, 在固态照明的推动下, 国内外已推出了2—8英寸GaN单晶衬底, 为高压大功率垂直型GaN-on-GaN功率电子器件的发展奠定了良好的材料基础[3,4]. 基于高品质GaN单晶衬底, 垂直型GaN-on-GaN功率电子器件具有厚度更大、品质更高的漂移区 (同质外延层), 可拓展传统平面型GaN器件的电压等级; 同时, 垂直型器件结构更适宜导通大电流, 有助于拓展器件的功率等级[5]; 此外, 垂直电流路径使垂直型GaN-on-GaN功率电子器件对表面陷阱效应不敏感, 有助于解决由表界面陷阱与异质外延层中的体陷阱所导致的动态电阻退化难题[6].

      在功率电子器件中, 整流二极管通常包括单极型肖特基势垒二极管 (Schottky barrier diode, SBD)和双极型PiN二极管, 其仍主要面临以下挑战.

      传统单极型SBD开启电压和阻断漏电均受肖特基势垒高度(Schottky barrier height, SBH)调控, 更低的SBH有助于降低SBD的开启电压和导通损耗, 但通常会导致较大的阻断漏电, 限制了器件的耐压; 反之, 更高的SBH有助于降低阻断漏电、提升器件耐压, 但会导致较高的开启电压和导通损耗. 总而言之, 传统单极型SBD面临着由于SBH所导致的正向开启电压与反向阻断漏电之间相互制约的关系[7,8]. 因此如何突破该相互制约关系, 是传统单极型SBD面临的挑战之一.

      传统双极型PiN二极管导通损耗和开关频率均受少子注入效应的影响, 更高的少子注入水平引发显著的电导调制效应、降低导通损耗[9]; 在间接带隙半导体Si和SiC双极型PiN二极管中, 尽管少子注入与存储可以带来导通性能的提升, 但在器件关断瞬间, 少子存储效应会造成较长的反向恢复时间, 限制了器件效率和频率的提升. 因此, 传统双极型PiN二极管面临着由于少子存储效应所导致的导通和开关动态性能之间的相互制约关系. 不同于间接带隙半导体Si或SiC, 直接带隙材料GaN拥有极短的(~10–8 s)本征少数载流子寿命[10]和光电转化能力, 双极型GaN PiN二极管有望实现更快的开关速度和更低的开关损耗. 而直接带隙GaN PiN二极管极短的少子寿命能否实现有效电导调制尚不明确.

      同时, 平面型GaN功率电子器件在高压高频开关过程中普遍面临陷阱效应导致的动态电阻退化问题[7]. 得益于高质量同质外延显著降低了缓冲层陷阱密度, 垂直电流路径对表面陷阱不敏感, 垂直型GaN功率电子器件有望实现优异的动态导通特性[8]. 对于预期工作频率高达兆赫兹的垂直型GaN功率电子器件而言[6], 开发测试延迟在百纳秒级的快速动态测试电路, 对实现垂直型GaN功率电子器件开关特性的准确表征和验证具有重要研究价值.

      在极端工况下, 高能质子辐照引发的位移损伤[11,12]与瞬态大电流等引起的冲击应力[13,14]可能导致功率电子器件性能退化或热失效. 因此研究垂直型GaN功率电子器件在强辐照与瞬态大电流等极端应力下的耐受能力, 对准确界定该器件的安全工作区具有重要意义.

      在功率晶体管中, 垂直型沟槽栅金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)基于p型基区反型沟道实现导通, 是天然的常关型器件, 且具有较理想的阈值电压. 然而, 在多数1.2—1.7 kV宽禁带半导体沟槽栅MOSFETs中, 因表面粗糙度散射与库仑散射等因素限制了反型沟道迁移率的提升, 沟道电阻通常占器件整体导通电阻的~25%或以上[15,16]. 因此, 如何通过抑制表面粗糙度散射与库仑散射来提升反型沟道迁移率, 是实现高压低阻千伏级GaN MOSFET的重要挑战之一.

      围绕垂直型GaN SBD、垂直型GaN PiN二极管与垂直型GaN沟槽栅MOSFET面临的挑战(图1), 本文报道了近年来在垂直型GaN功率电子器件方面所取得的一些进展, 包括: 1)通过引入隧穿增强层(tunneling-enhancement layer, TEL)的界面工程技术, 调控载流子输运机制, 突破垂直型GaN SBD正反向电学特性相互制约的关系; 2)揭示了双极型垂直结构GaN PiN二极管的电导调制效应和反向恢复特性, 突破传统PiN二极管导通和开关动态特性之间的制约关系; 3)表征分析了垂直型GaN功率二极管在快速开关电路中的动态电阻特性; 4)垂直型GaN功率二极管在质子辐照与浪涌等极端环境下的鲁棒性; 5)通过AlN氮化界面层实现了高迁移率、高品质因数的垂直型GaN沟槽栅MOSFET.

    2.   垂直型GaN功率二极管

    • 本节聚焦垂直型GaN功率二极管的制备及静态特性表征, 介绍了适用于垂直型GaN功率电子器件的终端技术、垂直型GaN SBD肖特基界面载流子输运机制研究、垂直型GaN PiN光电耦合效应及电导调制研究、垂直型GaN PiN二极管抗辐照能力研究.

      • 2.1.   单极型垂直结构GaN二极管

      2.1.1.   垂直型GaN SBD

    • 图2展示了垂直型GaN SBD器件结构. 11 μm厚的n‒-GaN漂移层通过有机金属化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)生长于单晶n+-GaN衬底上, 经电容电压(C-V)测试提取有效掺杂浓度约为1×1016 cm‒3. n+-GaN衬底欧姆接触金属采用厚度分别为50/200/50/50 nm的Ti/Al/Ti/Au金属叠层, 肖特基接触金属采用Pt/Au金属叠层[17].

      垂直型GaN SBD的制造工艺主要包括终端结构制作、表面肖特基接触形成、介质层钝化与背面n+-GaN衬底欧姆接触形成. 首先通过氟离子注入制备终端结构, 并在样品表面沉积SiNx保护层后退火修复注入损伤. 在对样品表面进行预处理后, 随即沉积Pt/Au金属层并退火, 制备高质量的肖特基界面. 随后在样品表面沉积一层SiO2作为钝化层并开孔. 最后, 在样品背面沉积Ti/Al/Ti/Au金属叠层并退火, 实现n+-GaN衬底的欧姆接触[8].

      图3所示为垂直型GaN SBD的导通特性, 其导通电流密度高达2 kA/cm2, 微分比导通电阻(specific on-resistance, RON,sp)低至1.08 mΩ·cm2. 对于SBD, 考虑理想因子和串联电阻时, 导通电流密度的理论计算公式为[16]

      其中A*为理查森常数, k为玻尔兹曼常数, T为温度, q为电子电荷, $ {\phi }_{\mathrm{B}} $为SBH, η为理想因子, $ J{r}_{\text{S}, \text{sp}} $为串联电阻分压. 实际测试曲线与根据理想的热电子发射(TE)模型(即η = 1)计算出的I-V特性曲线拟合良好(图3(b)), 且测试提取出的理想因子低至1.02, 说明该垂直型GaN SBD载流子输运机制由TE模型主导, 而与陷阱/缺陷相关的非理想载流子输运机制(图3(c))几乎可忽略[17], 表明界面预处理与金属沉积后退火实现了接近理想的金属/GaN肖特基界面. 同时, 理想的肖特基界面和较低的SBH使垂直型GaN SBD表现出低开启电压(0.55 V, 定义于0.1 A/cm2).

      垂直型功率电子器件中, 结边缘电场聚集会加剧漏电流, 并导致器件提前击穿[18]. 对于Si或SiC功率电子器件, 常通过引入基于pn结的终端结构(如场限环、结终端扩展)抑制边缘电场聚集[19,20]. 然而, GaN材料中实现有效的p型掺杂较为困难, 限制了上述终端结构的研发. 为此, 本课题组致力于开发适用于垂直型GaN功率器件的新型终端结构. 如图4(a) 所示, 通过多能量氟离子注入及注入后退火优化形成的低损伤终端结构, 可将垂直型GaN SBD的击穿电压由~260 V提升至~800 V[17]. 氟离子凭借其较强的电负性, 可在Ⅲ-Ⅴ族材料中成为带负电的固定电荷[21], 该特性已在平面型GaN晶体管阈值电压调控中得到应用[22]. 基于此特性, 利用氟离子注入形成的固定负电荷, 可有效缓解GaN SBD结边缘电场聚集(图4(b), (c))[17]. 因此, 多能量氟离子注入配合有效的注入后损伤修复为实现高性能垂直型GaN SBD提供了一种高效的终端保护方案.

      • 2.1.2.   垂直型GaN隧穿结二极管

    • 传统SBD在正向导通和反向阻断特性之间存在相互制约的关系, 这是由于其开启电压和阻断漏电均受SBH的影响[7,8]. 如图5(a), (c)所示, 较高的SBH ($ q{\phi }_{\mathrm{B}} $) 有利于降低阻断漏电、提升耐压, 但同时会导致较高的开启电压和较高的通态损耗. 为了突破传统SBD正反向性能相互制约的关系, 本工作采用新型界面工程来调控载流子输运机制. 在金属/GaN肖特基界面插入一层~5 nm的AlGaN TEL后(图6(b)), 可同时改变正向导通和反向阻断状态下的载流子输运机制[23].

      图5为有无TEL结构的垂直型GaN SBD在导通和阻断状态下的能带图对比[23], 同时给出了主导的载流子输运机制: 热电子发射(thermionic emission, TE)、隧穿(tunneling)和热场发射(thermal field emission, TFE). 导通状态下, 极化效应产生的AlGaN/GaN界面电子积累和极薄的组分渐变AlGaN层有利于提高电子隧穿概率和隧穿电流(图5(b)), 可有效降低器件开启电压. 阻断状态下, AlGaN相较于GaN可获得更高的SBH (图5(d)), 从而降低漏电流、提升耐压.

      如图6(a), (b)所示, 引入TEL结构的垂直型GaN隧穿结二极管能够将传统GaN SBD的开启电压从0.55 V进一步降低至0.43 V (定义在0.1 A/cm2), 同时可以将击穿电压从800 V进一步提升至1020 V[23]. 垂直型GaN隧穿结二极管突破了传统SBD正向开启电压与反向阻断漏电之间相互制约的关系(图6(c)), 表现出更为优异的静态电学特性[24–30].

      • 2.2.   双极型垂直结构GaN PiN二极管

    • 垂直型GaN PiN二极管的基本结构如图7所示, 其外延结构包括极薄的p+-GaN接触层, 500 nm厚的p-GaN层和15 μm厚的n‒-GaN漂移层, 通过C-V测试提取出其漂移层的有效掺杂浓度约为6×1015 cm‒3.

      垂直型GaN PiN二极管的制备工艺主要包括器件隔离、终端结构制作、表面欧姆接触形成、介质层钝化与背面欧姆接触形成. 首先通过刻蚀与离子注入对器件边缘进行隔离. 对结边缘进行多能量氮离子注入, 实现p-GaN区域的部分钝化与电荷补偿, 达到终端保护的电场调制. 在GaN表面沉积Pd/Au金属层并退火, 以获得低电阻的表面欧姆接触. 随后的介质层钝化、背面欧姆接触工艺与垂直型GaN SBD相同.

      图8(a)展示了垂直型GaN PiN二极管的导通特性. 与垂直型GaN SBD不同, 垂直型GaN PiN二极管表现出随着正向电压持续下降的微分RON,sp (0.81 mΩ·cm2@2 kA/cm2, 0.46 mΩ·cm2@6 kA/cm2), 且整体低于计算的微分RON,sp理论值(2.2 mΩ·cm2), 表明GaN PiN二极管在准静态下存在有效的电导调制效应[31,32].

      如图8(b)所示, 通过多能量氮离子注入制备的终端结构, 可将垂直型GaN PiN二极管的击穿电压由~1100 V提升至~1800 V, 并显著抑制漏电流[31]. 氮离子注入造成的深能级缺陷能够补偿p-GaN中的载流子, 从而降低该区域有效空穴浓度[33]. 这一载流子调控过程在GaN PiN二极管结边缘形成了一种类似于结终端扩展 (junction termination extension, JTE)的功能结构, 有效缓解了电场集聚, 进而提高了器件的耐压能力. 图8(c)展示氮离子注入终端的垂直型GaN PiN二极管和已报道的双极型垂直结构GaN二极管的关键性能指标[34–42].

      为进一步验证垂直型GaN PiN二极管中的电导调制效应, 对其与垂直型GaN SBD的正向导通瞬态特性进行对比分析[43]. 如图9(a)所示, 垂直型GaN SBD的导通压降(VON)随导通时间(tON) 增加而上升, 这主要源于自热效应的增强引起声子散射加剧, 导致迁移率下降. 相比之下, 垂直型GaN PiN二极管的VON表现出非单调的瞬态变化, 可划分为3个区域(图9(b)): 在区域I (~10–3—10–1 s), 空穴注入引发的电导调制效应占主导, VON随tON增加而降低, 自热效应尚不显著; 在区域Ⅱ (~10–1—10 s), 低电流(≤30 mA)条件下电导调制仍占主导, VON持续下降, 而在高电流(≥40 mA)下自热效应成为主导, 导致VON随tON增加转而上升; 在区域Ⅲ (~10—103 s), 随着热平衡逐渐建立, 电导调制效应重新主导, VON进一步降低. 此外, 随着温度升高, 垂直型GaN PiN二极管的VON呈下降趋势(图9(c)), 这种热增强型电导调制现象可能源于热环境下p型GaN激活效率的提升, 提高了n-GaN区的空穴注入水平[43,44].

      研究表明垂直型GaN PiN二极管的电导调制能力与内部光电耦合效应相关, 图10所示为其影响垂直型GaN PiN二极管电导调制的两种可能的传导机制[32,45].

      机制1　在GaN PiN二极管中产生的光子主要来源于n-GaN区域内导带自由电子与价带自由空穴的辐射复合. 当辐射复合产生的光子进入p-GaN区域后, 部分光子被已电离的Mg受主吸收, 将受主能级上束缚的电子激发至导带, 导致电离的Mg受主转变为中性态, 激发到导带的电子在p-GaN中通过发射声子迁移至导带底. 中性态的Mg受主易通过从价带捕获电子而再次电离, 同时在价带产生自由空穴. 当价带顶的自由空穴注入n-GaN时, 为维持电中性, 等量电子从n+-GaN注入n-GaN.

      机制2　由于GaN中Mg受主的电离能较高, p-GaN中存在大量中性Mg受主. 进入p-GaN中的光子也可能被这些中性Mg受主吸收, 促使中性Mg受主从价带捕获电子并电离, 同时在价带产生高能空穴, 随后p-GaN价带中的高能空穴通过发射声子迁移至价带顶. 这一过程使p-GaN中电离的受主比例增加, 且当产生的空穴注入n-GaN时, 同样为维持电中性, 等量电子由n+-GaN注入n-GaN.

      以上两种机制通过对光子重吸收在价带顶生成空穴, 并在空穴注入n-GaN后引发等量电子从n+-GaN注入n-GaN, n-GaN载流子的增加降低了器件的导通电阻, 从而实现有效的电导调制.

      在获得具备优异电学特性的 GaN PiN 二极管基础上, 为进一步评估其在深空探索等极端环境中的应用潜力, 需对其在强辐照环境下的可靠性进行深入研究. 太空中的高能质子辐照会导致传统功率电子器件漏电流增大、阻断电压退化. 而得益于宽禁带半导体GaN材料的高位移阈能, 垂直型GaN PiN二极管表现出优异的抗高能质子辐照能力[11]. 如图11所示, 在经受能量为10—50 MeV、剂量高达1×1014 cm–2的高能质子辐照后, 垂直型GaN PiN二极管仍可维持1700 V以上的阻断电压[12]. 虽然辐照后器件内部深能级中心增加, 导致电导调制效应发生一定程度的衰退, 但仍保留较为有效的调制能力. 该研究为垂直型GaN PiN二极管在强辐照环境下的应用提供了重要实验依据.

      • 2.3.   新型垂直结构GaN二极管

    • 近年来, 一些新型垂直结构GaN二极管被提出(图12)用以克服垂直型GaN SBD与GaN PiN二极管的局限性, 并提供更好的器件性能. 图12(a)所示为垂直型GaN结势垒肖特基(junction barrier Schottky, JBS) 二极管, 其顶部由一系列交替排列的p-GaN和n-GaN区域构成. JBS二极管正向导通时, pn结未开启, 具有类似SBD的低开启电压. 反向工作时, pn结势垒屏蔽了肖特基接触处的电场, 抑制SBH降低, 从而降低漏电并提高击穿电压. 与SBD相比, JBS二极管在保持低开启电压的同时, 具备更低的漏电水平, 但导通电阻因电流分布不均而更大. 2025年, Kitagawa等[46]采用镁离子注入及超高压退火工艺, 制备出垂直型GaN JBS二极管, 实现了800 V击穿电压与2.0 mΩ·cm2的低微分RON,sp. 同年, Kwon等[47]用浅层氮/镁共注入结合铝氮化物覆盖层退火的镁扩散工艺, 制备出垂直型GaN JBS二极管, 实现了1.95 kV击穿电压与2.3—2.6 mΩ·cm2的低微分RON,sp.

      图12(b)所示为垂直型GaN混合pn-肖特基(merged pn-Schottky, MPS) 二极管, 其顶部同样由交替的p-GaN和n-GaN区域组成, 与JBS二极管的关键区别在于阳极金属与p-GaN区域之间形成的是欧姆接触. MPS二极管正向导通时, 低电压下肖特基结首先开启, 电压升高后pn结才开启, 从而实现低开启电压与大电流的结合. 但少数载流子通过欧姆接触注入, 导致MPS二极管具有更大的反向恢复电流, 限制了响应频率. 2024年, Wang等[48]通过T型p-GaN屏蔽环结构优化电场分布, 将垂直型GaN MPS二极管的击穿电压从传统结构的1123 V提升至2749 V, 同时Baliga优值达到2.67 GW/cm2, 实现了高压低损耗性能. 2025年, Atwimah等[49]通过TCAD建模与混合模式仿真框架, 对比了垂直型GaN pn二极管与MPS二极管, 证明MPS结构具有更低的反向恢复电荷与导通损耗.

      图12(c)所示为垂直型GaN沟槽MIS势垒肖特基(trench MIS barrier Schotty, TMBS)二极管, 其在肖特基接触电极相邻的沟槽中采用MIS结构, 通过其耗尽区形成的势垒屏蔽肖特基接触处的电场, 进而降低漏电并提高击穿电压. 2024年, Li等[50]采用自对准绝缘层开孔与六边形元胞结构, 研制出低漏电垂直型GaN TMBS二极管, 实现了810 V击穿电压、10–6 A/cm2的低漏电流密度以及约1 V的正向压降.

      图12(d)所示为垂直型GaN超级结(superjunction, SJ)二极管[51–53], 其以交替排列的p-GaN和n-GaN柱区取代单一n-GaN漂移区. 与GaN PiN二极管一维耗尽的三角形电场分布相比, SJ二极管的二维耗尽效应能产生更均匀的电场分布, 从而显著提升击穿电压. SJ结构的核心在于实现p柱与n柱的电荷总量平衡, 在此前提下, 可通过提高掺杂浓度并减小柱宽, 在维持高耐压的同时显著降低微分RON,sp, 突破一维器件的性能极限. 目前通过n-GaN和p-NiO构成的异质结来实现电荷平衡, 以克服GaN材料P型掺杂困难的问题, 是实现GaN SJ二极管的有效途径之一. 2024年, Ma等[51]针对GaN超级结器件制造中p型区域精确控制的难题, 提出了一种基于自对准工艺的NiO/GaN异质超级结设计方案, 实验制备的垂直型GaN SJ二极管实现了超过1.1 kV的击穿电压与0.4 mΩ·cm2的低微分RON,sp.

      • 2.4.   垂直型GaN二极管动态特性

    • 本节聚焦于垂直型GaN SBD与PiN二极管的开关、浪涌动态特性. 搭建了适用于垂直型GaN二极管动态特性表征的高速板级测试平台, 并分别研究了垂直型GaN二极管的反向恢复特性和动态电阻特性. 搭建了变峰值电流变脉宽的板级测试平台, 研究了垂直型GaN二极管在不同峰值电流和浪涌时间下的浪涌特性. 搭建了高速实时结温监测平台, 表征垂直型GaN二极管极端瞬态浪涌应力下的结温特性.

      • 2.4.1.   垂直型GaN二极管反向恢复特性研究

    • 图13(a)展示了用于垂直型GaN二极管反向恢复测试的双脉冲测试电路 (double pulse test circuit, DPT), 相较于半导体分析仪具有更小的寄生参数和更快的测试速度[54]. 二极管作为被测器件(device under test, DUT)两端并联感性负载. 测试过程如图13(b)所示, 当控制开关(商用GaN GIT)首次导通时, 电感电流上升, DUT阻断; GIT关断后, 电感续流流经DUT, DUT导通; 再次向GIT栅极施加导通脉冲后, DUT迅速切换至阻断状态. 通过此双脉冲测试电路表征了4种器件从导通状态以100 A/μs的速度快速切换至阻断状态后的反向恢复特性, 反向恢复最大电流、反向恢复时间和RonQrr品质因数是衡量反向恢复特性的重要标准, 分别用以评估器件的最大反向过冲电流、关断速度与关断损耗, 其中RonQrr是器件电阻与反向恢复特性的乘积. 在阻断电压为400 V时, Si快恢复二极管 (FRD)、SiC SBD、垂直型GaN SBD、垂直型GaN PiN二极管的反向恢复最大电流分别为5.60, 0.26, 0.19, 0.18 A. 反向恢复时间分别为44, 22, 17, 17 ns. 反向恢复RonQrr品质因数分别为37.1, 1.6, 1.2, 1.1 Ω·nC, 垂直型GaN SBD和GaN PiN二极管均表现出低反向恢复最大电流、快速反向恢复以及低关断损耗的优异动态特性(图13(c)), 且其性能与电压/电流等级相近的商用SiC SBD (600 V/1 A)相当, 并显著优于商用Si FRD (700 V/1 A). 测试结果表明, 双极型GaN PiN二极管凭借其极短的本征少子寿命, 获得了与单极型SBD相媲美的优异反向恢复特性[54]. 同时, 2.3节介绍了直接带隙GaN PiN二极管利用独特的光电耦合效应与自热效应实现有效的电导调制, 这使其突破了传统双极型功率电子器件少子注入导致的导通/开关性能制约关系[45].

      • 2.4.2.   垂直型GaN二极管动态电阻特性研究

    • 图13(a)所示的双脉冲测试电路也可实现对垂直型GaN二极管的动态电阻表征[54]. 为更准确地提取动态电阻, 测试电路将双脉冲测试电路与钳位电路相结合(图14(a))以快速捕捉DUT从阻断切换至导通时的电压信号. 测试过程如图14(b)所示, 当GIT由导通切换至关断时, DUT从阻断状态快速切换至导通状态.

      图15(a), (b)对比了商用平面型GaN HEMT与垂直型GaN SBD随导通时间变化的归一化动态电阻值(dynamic RON/static RON)[54]. 在从阻断电压(VOFF)为50—400 V、阻断时间(tOFF)为1 μs的阻断状态切换至导通状态后, 平面型GaN器件动态电阻退化显著, 且随VOFF增大而加剧. 而垂直型GaN SBD在不同VOFF下均展现出无动态电阻退化的优异动态性能(图15(c)).

      对于垂直型GaN PiN二极管, 动态电阻不仅可能受阻断电压的影响, 也可能受电导调制的影响. 如图16所示, 垂直型GaN PiN二极管的动态导通电阻几乎不受VOFF的影响, 这说明器件内部由于陷阱效应导致的动态电阻退化问题不明显. 另一方面, 受电导调制的影响, 随着导通时间(tON)的增大, 双极型GaN PiN二极管的动态电阻持续下降; 同时, 随着导通电流(ION)的增大, 动态电阻可进一步下降, 甚至表现出归一化动态电阻小于1的特性[43].

      相比于长期受到动态电阻退化问题困扰的传统平面型GaN器件, 垂直型GaN器件的垂直电流路径使其对表面陷阱不敏感, 同时高质量的同质外延与可控的背景/补偿掺杂有效降低了体陷阱密度, 从而实现优异的动态性能[56]. 值得注意的是, 对于直接带隙双极型垂直GaN PiN二极管, 其光子增强电导调制也可通过快速的光子吸收来补偿可能的少量陷阱效应, 从而进一步降低动态电阻和提升动态性能.

      • 2.4.3.   垂直型GaN二极管浪涌特性及结温特性研究

    • 早期对垂直GaN功率二极管浪涌能力的研究多局限于单一脉宽下的峰值电流评估[36]. 然而, 其导通能力实际与导通时间、电流及温度均密切相关[31], 为此需系统研究不同峰值电流与脉冲宽度下的浪涌能力. 在Si或SiC等间接带隙PiN二极管中, 电导调制效应已被证实能增强浪涌能力. 虽然第2.3节表明直接带隙GaN PiN二极管也能实现有效电导调制, 但其对器件浪涌特性的具体影响机制仍不明确. 此外, 极端瞬态应力作用过程产生的热量可使结温骤升至数百摄氏度, 甚至引发热失效[14], 因此, 对该瞬态过程中结温的实时监测对于揭示失效机理和优化热管理至关重要.

      图17展示了基于LC谐振构建的浪涌电流测试电路及其产生的浪涌电流脉冲[57]. 测试电路主要由直流电源、开关管(S)、充电电容(C)、MOSFET、驱动电路、负载电感(L)、DUT构成. 电容在MOSFET导通前由直流电源预充电, MOSFET导通后, 产生的半正弦浪涌电流施加至DUT. 半正弦浪涌电流的峰值电流(Ipeak)与脉冲宽度(tsurge)可通过电感、电容和电容两端电压(VC)进行调控:

      根据(2)式, 调节VC, 使施加在DUT上浪涌电流的Ipeak从2 A增大至16 A, 测试得到垂直型GaN SBD和GaN PiN二极管的浪涌电流/电压波形如图18(a), (b)所示. 垂直型GaN SBD和PiN二极管感应出的浪涌电压均随着Ipeak增大而升高. 相比于垂直型GaN SBD, 垂直型GaN PiN二极管浪涌电压的增幅更小, 具有更强的浪涌能力. 基于浪涌测试提取的双扫动态I-V特性曲线中(图18(c)), 单极型垂直GaN SBD呈现随浪涌电流增大而加剧的顺时针回滞, 该现象源于浪涌电流引发结温升高, 造成声子散射增强与载流子迁移率下降, 最终导致器件导通能力退化. 而双极型垂直GaN PiN二极管双扫动态I-V特性曲线则表现出逆时针回滞, 且回滞程度随浪涌电流增大愈加显著, 这体现了电导调制效应的作用, 该效应显著增强了双极型垂直GaN PiN二极管的浪涌电流导通能力[57].

      根据(3)式, 调节电容和负载电感, 使施加在DUT上浪涌电流的tsurge从5 μs增至10 ms. 如图18(d)所示, 随着tsurge延长, 垂直型GaN PiN二极管在测试中承受的最大电压(VMAX)呈下降趋势, 且该趋势在Ipeak越高时越显著, 这表明较长的tsurge有助于增强双极型垂直GaN PiN二极管的正向导通能力. 图18(e)进一步表明, 受电导调制的影响, 随tsurge延长, 垂直GaN PiN二极管的微分RON,sp持续降低, 甚至表现出归一化动态电阻小于1的特性, 提升了器件导通能力并增强浪涌电流导通能力[57].

      如图19(a)所示, 在长tsurge (10 ms)与高Ipeak (5 A)的浪涌电流作用下, 器件发生失效. 图19(b)为SEM形貌分析结果, 失效原因在于器件电极边缘烧毁, 该现象与图19(c)的仿真结果一致. 为应对浪涌等高功率瞬态过程中升高的结温对GaN功率电子器件提出的挑战, 需开发极端应力瞬态过程中的实时结温监测方法[58].

      传统的芯片结温监测技术(如热电偶[59]、红外成像[60]等)通常响应延迟较大, 难以在极端应力瞬态过程中准确捕捉芯片结温的实时变化. 相比之下, 单波段热反射显微镜(thermoreflectance microscopy, TRM)具备超快结温成像能力[61]. 基于此, Du等[62]搭建了适用于极端应力瞬态过程中结温监测的共聚焦热反射表征平台(confocal TRM, CTRM), 该平台能够实现浪涌激励电路与共聚焦热反射监测回路的同步触发. 该平台通过监测浪涌应力瞬态过程中芯片电极金属的热反射率, 并利用热反射率与结温之间的线性依赖关系, 在浪涌电流密度高达10000 A/cm2的极端瞬态条件下, 实现了对垂直型GaN器件结温的实时监测, 采样率高达105 Sa/s. 由于阳极外围存在热积累, 器件边缘的结温增长速度高于中心区域. 随着tsurge和Ipeak增大, 结温迅速上升, 当浪涌时间达到10 ms且峰值电流为5 A时, 最高结温已超过铝的熔点(660 ℃), 导致器件边缘金属发生熔融, 该结果与图19(b)中的SEM观察现象一致.

      得益于高时域分辨率的结温监测技术, 该研究揭示了垂直型GaN二极管在浪涌电流应力作用下的退化与失效机制. 基于此研究, Du等[62]提出了一种热管理优化方法: 将功率电子器件键合于具有高热导率(约2200 W/(m·K)) 的单晶金刚石热沉上, 以增强热量耗散能力. 键合金刚石热沉的垂直型GaN PiN二极管的浪涌能量密度从323 J/cm2(无金刚石热沉)提升至390 J/cm2, 在国际上报道的同类器件中较为领先(表1).

    3.   垂直型GaN沟槽栅MOSFET

    • 在电力电子应用中, 为实现失效安全操作和简化驱动电路, 开发了多种垂直型GaN功率晶体管用于实现常关器件, 如: 电流孔径垂直电子晶体管 (current aperture vertical electron transistors, CAVETs) (图20(a)), 鳍型场效应晶体管(fin field-effect transistors, FinFETs) (图20(b)), 结型场效应晶体管(junction field-effect transistors, JFETs) (图20(c)), 垂直型沟槽栅MOSFET (图20(d))[15,72–78].

      本节聚焦于垂直型GaN沟槽栅MOSFET的制备及界面优化, 介绍了基于AlN氮化界面层(nitridation interfacial-layer, NIL)的界面优化技术、低损伤的栅槽刻蚀技术以及垂直型GaN沟槽栅MOSFET的温度依赖特性研究[19,64].

      沟道电阻作为MOSFET导通电阻的主要组成部分, 其大小直接影响器件的导通性能[65,66]. 因此, 提升反型沟道迁移率成为降低导通电阻的关键. 在GaN MOSFET中, 沟道迁移率主要受限于界面粗糙度散射与库伦散射[67,68]. 研究表明, 在栅氧层与GaN沟道之间插入AlN NIL可有效改善MOS界面质量, 且该方法已在平面型GaN MOSFET中被证实可显著提高沟道迁移率[69–71]. 基于上述机制, 本课题组成功制备出具有AlN NIL的高迁移率垂直型GaN沟槽栅MOSFET.

      垂直型GaN沟槽栅MOSFET的器件结构和主要工艺流程如图21[15], 其外延结构包括极薄的n++-GaN接触层, 280 nm厚的n+-GaN, 550 nm厚的p-GaN层和13 μm厚且掺杂浓度为6×1015 cm‒3的n‒-GaN, 外延生长于320 μm的商用单晶n+-GaN衬底上. 栅槽深度为1 μm, 并依次沉积5 nm的AlN和80 nm的SiNx作为栅介质[15].

      垂直型GaN沟槽栅MOSFET的主要工艺流程包括: 1)通过刻蚀和离子注入实现器件的隔离; 2)选择性刻蚀n+-GaN, 暴露出其下方掩埋的p-GaN; 3)在850 ℃下进行30 min退火, 实现p-GaN的再激活; 4)采用低功率Cl2/Ar基感应耦合等离子体反应离子刻蚀(inductively coupled plasma reactive ion etching, ICP-RIE)技术, 以制备深度为1 μm的低损伤栅槽; 5)利用四甲基氢氧化铵 (TMAH)对栅槽界面进行湿法处理, 修复刻蚀损伤; 6)利用原位Ar/N2远程等离子体处理栅槽界面, 去除可能存在的本征氧化物并钝化Ga悬挂键. 随后通过等离子体增强原子层沉积系统(plasma enhanced atomic layer deposition, PEALD) 依次沉积5 nm AlN界面层和80 nm SiNx作为栅介质; 7)介质沉积后在850 ℃、N2气氛下进行10 min退火(post-deposition annealing, PDA); 8)沉积体电极、栅/源电极和漏电极.

      与未优化的刻蚀结构相比, 优化后的垂直型GaN沟槽栅MOSFET成功消除了栅槽底部的微沟槽, 实现了高度垂直且转角圆滑的侧壁形貌, 并在TMAH界面修复后获得了平滑的刻蚀侧壁与表面. 通过生长前的界面处理与生长后的退火等工艺, AlN NIL的质量得到有效优化, 使得SiNx/AlN-NIL/GaN栅堆叠呈现出原子级陡峭的界面(图22)[15].

      如图23(a)所示, 垂直型GaN沟槽栅MOSFET表现为阈值电压为4.1 V的常关型器件, 具备1200 A/cm2高导通电流密度和2 mΩ·cm2的低导通电阻[15]. 在沟道性能方面, 优化的栅槽刻蚀工艺有效降低了界面损伤, 从而抑制了表面粗糙度散射; 同时, 高质量AlN界面层的引入显著减少了沟道界面陷阱, 抑制了库仑散射, 使器件实现高达205 cm2/(V·s)的沟道迁移率(图23(b)). 在阻断特性方面, 器件耐压提高至1400 V, 同时漏电流显著降低, 这得益于低射频功率的栅槽刻蚀工艺消除了槽底微沟槽, 进而缓解了拐角电场集中. 该垂直型GaN沟槽栅MOSFET同时具备优异的温度稳定性, 其阈值电压与导通电阻随温度变化极小[64], 这使其在宽温度范围内具备稳定的工作性能.

      相比于其他类型的MOSFET, 引入AlN NIL的垂直型GaN沟槽栅MOSFET在电学性能和温度稳定性方面展现出性能优势, 适用于高频大功率应用领域, 且适用于宽温域的应用场景(表2).

    4.   总　结

    • 本文从器件结构、关键工艺与机理分析等方面讨论了垂直型GaN二极管和垂直型GaN晶体管所面临的挑战, 并总结课题组近年来的最新进展. 新型隧穿结二极管通过引入隧穿增强层提升反向势垒并增强正向隧穿, 同时提高反向耐压并降低正向压降, 突破传统SBD耐压与正向压降相互制约的关系. 具有极短载流子寿命的垂直型GaN PiN二极管通过光电耦合效应同时实现正向电导调制与零反向恢复的理想性能, 突破了传统双极型功率器件少子注入/存储导致的导通/开关性能极限. 此外, 垂直型GaN PiN二极管还具有无动态电阻退化与高浪涌能力的优异动态特性. 通过AlN 氮化界面层和低损伤栅槽刻蚀技术抑制了库仑散射与表面粗糙度散射, 实现高迁移率高品质因数的垂直型GaN沟槽栅MOSFET, 并在极端温度环境中表现出性能稳定优势. 因其优异的动静态特性, 本文报道的垂直型GaN功率电子器件在高压、高功率、高能效电力电子领域具有广阔的应用前景.

    参考文献 (78)

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