超结(SJ)电荷平衡概念已成功应用于硅(Si)mosfet功率器件中。如今，人们更加关注利用这一技术来改善宽带隙(WBG)功率器件的性能指标。本文总结了将超结结构应用于横向氮化镓(GaN)肖特基二极管的初步研究结果，这些结果展现出良好的应用前景。

超结器件工程

对于额定电压超过几百伏的器件，漂移区对器件净导通电阻(RDS(ON))的贡献占主导地位。为了支持更高的关断态耐压，器件需要更轻掺杂、更厚的漂移区。硅MOSFET的RDS(ON)与其击穿电压(BV)大致满足以下关系：

超结概念用交替的n型和p型掺杂区替代了n型漂移区，并使这些区域处于电荷平衡状态。由于耗尽可以在更低的电压下实现，RDS(ON)与BV之间可以实现近似线性的关系，即：

现在可以提高n型漂移层的掺杂浓度，从而显著降低RDS(ON)。反之，在相同的漂移掺杂水平下，可以实现更高的BV。制造超结MOSFET的一种方法是在漂移区的大部分区域进行沟槽刻蚀，然后在这些沟槽中选择性外延生长p型掺杂柱。另一种方法涉及多次外延生长，即在连续的n型外延生长之间进行掩蔽的p型注入。

理论上，额定电压为600 V的超结硅MOSFET相比传统MOSFET，其比导通电阻可提高约30倍，但实际上这个倍数可能更接近5-10倍(这取决于超结柱间距)。

氮化镓超结制造面临的挑战

垂直结构的GaN-on-GaN器件制造面临诸多挑战，首先是难以制备低缺陷、大面积的GaN衬底。选择性区域掺杂，特别是形成Mg掺杂的p型区，在GaN器件中仍然存在问题。掺杂控制、激活和注入损伤减少是一些主要问题。在非平面衬底上进行外延再生长则更加困难。超结器件需要精确的电荷平衡。为了实现p型掺杂剂的良好激活，需要高温再生长，但这可能导致掺杂剂互混和掺入不均匀。再生长的层中缺陷的形成常常是为了提高激活率而做出的权衡。杂质(如Si和O)在再生长界面的掺入会导致掺杂补偿。

一个自然的选择是基于标准横向GaN HEMT制造技术来制作横向超结器件。采用无需选择性再生长或掺杂的设计，可使制造工艺更加简单。

已有多种方法被尝试。一个例子是使用生长后的p型导电氧化物，如NiO。利用GaN/AlGaN交替层，通过这些层中交替的电荷极化形成超结。在本文中，我们讨论了美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的Zachary Biegler及其团队展示的一种更简单的、基于全GaN p-n-p横向超结的肖特基二极管[1]。

横向p-n-p GaN超结肖特基二极管

图1(a)展示了标准横向GaN肖特基二极管的器件截面示意图。肖特基阳极和欧姆阴极之间的n-GaN漂移区决定了器件的BV。相比之下，图1(b)所示的p-n-p结构代表了超结二极管。横向阳极接触消除了对再生长的p型层的需求。

图1

采用全GaN结构而非AlGaN/GaN基设计，可确保最小应力和均匀的电场分布。可以使用更厚的层和/或更高的掺杂来提高导电性。理论上，p-n-p结构可以在垂直方向上重复，但所展示的原型采用了单层夹心结构。

对由p-GaN层(每层厚度50 nm，掺杂密度1×10¹⁸/cm³)夹持1 µm厚的n-GaN层(掺杂浓度1×10¹⁷/cm³，即n型和p型层的净掺杂×厚度相匹配)组成的堆叠结构进行了仿真。仿真显示，漂移区上的电场分布平坦，约为2.3 MV/cm，在顶部p-GaN/电介质界面处观察到电场峰值。在这些仿真中，10 µm的漂移区可以实现2.3 kV的反向击穿电压。

为了增强对电荷平衡的信心，对分子束外延(MBE)生长的层进行了SIMS电荷掺杂分析。n型Si掺杂可以通过掺杂剂池温度来控制，而p型Mg掺杂则可以通过阀门开度百分比来控制。虽然金属有机化学气相沉积(MOCVD)是GaN大规模生产的优选生长方法，但MBE具有一些优势，包括原子级精度，可以产生更陡峭的界面和更低的生长温度。

虽然MOCVD具有更快的生长速率，但其含有碳的前驱体会补偿掺杂剂。由于MBE中此类补偿杂质含量较低，因此可以实现更广泛的掺杂浓度范围。UCSB一直在开拓基于氨(NH₃)的MBE技术。富氮生长条件消除了在另一种等离子体增强MBE生长GaN技术中出现的镓液滴问题。

在这项工作中，MBE的生长温度为：n型掺杂层825°C，p型掺杂层750°C。生长过程中使用了铟表面活性剂，其优点是可以形成更平滑的表面形貌，并降低背景掺杂浓度。

超结器件制作在蓝宝石衬底上的Fe掺杂GaN上，并在底部包含一个100 nm的p型层(置于非故意掺杂缓冲层下方)，以补偿衬底界面处的n型施主。在实际器件中，n型超结层厚1.3 µm，而p型超结层厚65 nm。为进行比较而制作的标准肖特基二极管仅使用了1.3 µm、1×10¹⁷/cm³的n型掺杂层。

制造工艺包括使用反应离子刻蚀形成器件台面，然后通过原子层沉积进行Al₂O₃钝化。欧姆接触使用Ti/Au形成，而肖特基接触则由Pd/Au金属通过旋转蒸发沉积形成，以确保侧壁覆盖保形。图1所示的超结和标准肖特基二极管都遵循相同的制造步骤，漂移长度从10 µm到50 µm不等。

结果

二极管的正向和反向IV曲线如图2所示。

图2

超结二极管和标准二极管的正向特性相似，表明使用超结层没有导致性能退化。由于MBE生长n型层时使用了1 µm/hr的高生长速率，导致电子迁移率较低，两种器件都比预期的更具电阻性。预计较低的生长速率将改善这一情况。

IV曲线中一个有趣的特征是超结肖特基反向特性在大约-40 V处出现了一个“驼峰”。这归因于阳极接触处p-GaN侧壁上的接触并非完美的欧姆接触(理想情况下，这应该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，直到沟道在更高反向电压下通过垂直耗尽而被夹断。

使用超结层带来的最大改进在于二极管的击穿电压。标准肖特基二极管的击穿起始电压低至10 V，而超结二极管可以承受高达200 V的电压。在漂移长度为40 µm的超结肖特基二极管上实现了860 V的最高击穿电压。

虽然这些超结二极管的泄漏电流和击穿电压仍需改进，但这项概念验证研究前景良好，可以为未来的改进奠定基础。