超结(SJ)概念在宽禁带(WBG)功率器件中的应用近期取得进展，有望改善器件的基本性能指标。尽管垂直氮化镓(GaN)器件的大规模制造平台开发仍面临重大挑战，本文综述了SJ垂直GaN肖特基二极管的相关研究工作，该器件可为后续开发及最终量产奠定基础。

宽禁带半导体中的超结

SJ功率器件基于漂移区电荷平衡原理。在垂直器件中，n型和p型掺杂区交替柱状结构实现这一平衡，使耗尽可在更低电压下发生，从而提升器件的击穿电压(BV)。该方法下漂移区掺杂浓度更高，还可在给定BV下实现更低的比导通电阻(RDSON-sp)。SJ器件的一个关键优势在于，其RDSON-sp可随BV线性缩放，而传统(一维)器件中该关系近似为平方律关系。

垂直硅mosfet SJ器件已量产多年，随着掺杂柱间距缩小，性能指标持续提升。垂直碳化硅(SIC)SJ肖特基二极管和MOSFET已被证明具有优于传统器件的RDSON-sp/BV指标[1]。这些器件通过多重外延(沟槽回填)选择性生长及高能注入相结合的方式形成掺杂通道。

相较于MOSFET的其他电阻分量(如沟道和衬底)，更低的漂移区电阻使SJ SiC MOSFET的RDSON净温度系数大幅降低，这是其在高温下的关键优势。SiC面临的主要挑战包括注入离子在SiC中的射程较浅，以及多重外延生长中缺陷导致过大泄漏电流。

横向GaN HEMT在700 V以下高频开关应用中相较Si和SiC均具优势。向更高功率和电压扩展可借助SJ概念实现。事实上，已有多种横向GaN SJ器件方案被验证，包括二极管和HEMT[2]。

p型外延再生长仍是一项艰巨挑战。在GaN SJ结构中，要实现良好的电荷平衡、掺杂激活率和低缺陷密度，需要平滑的界面。垂直GaN功率器件还面临大直径、低缺陷密度GaN衬底供应的问题。下面我们深入探讨垂直SJ GaN肖特基二极管的首次验证。

垂直GaN SJ肖特基二极管

美国弗吉尼亚理工大学CPES的Ming Xiao及其同事开发了一款kV级GaN基垂直二极管[3]。

通过在器件中采用p型氧化镍(NiO)异质结，可缓解在GaN及超宽禁带(UWBG)材料(如氧化镓Ga₂O₃)中制备可制造p型掺杂层所面临的问题。

NiO可通过溅射沉积，在图形化GaN结构上实现良好的保形覆盖，且具有较高的受主掺杂浓度，可形成低接触电阻的p⁺掺杂区。其与GaN的良好能带对齐降低了界面陷阱密度，从而获得稳定的器件特性。

本研究中，垂直二极管制备于2英寸GaN衬底上，采用MOCVD生长外延层，如图1所示。

图1

电荷平衡通过精确控制漂移区层厚和掺杂浓度实现，公式如下：

其中N_D和W_n分别为施主掺杂浓度和横向宽度，N_A和W_p分别为受主掺杂浓度和沿n-GaN区刻蚀沟槽侧壁的NiO宽度。

此外，还在蓝宝石衬底上制备了该器件的半垂直版本，以及不含NiO层的标准单极肖特基二极管作为对比。

生长后的外延层包含位于8 µm厚n-GaN漂移区上方的p-GaN层。该层的重要功能是形成原生GaN p-n结，使峰值电场(E)产生于此，而非NiO-GaN异质结处。

器件制造从p-GaN欧姆接触(Ni/Au)条带的制备开始。使用厚Ni层作为后续刻蚀的金属掩模。这些条带的间距为所需沟槽间距(S)。S需至少为2 × W_p，以容纳相对侧壁上的NiO沉积。

接触条带的宽度定义W_n，变化范围为1–3 µm。在这些阳极接触条带上采用Al/Ni金属掩模来定义台面以形成整体结构。台面刻蚀至n⁺-GaN衬底后，沉积SiO₂以横向填充相邻器件之间的空隙。

随后沉积另一层金属掩模，经刻蚀露出阳极接触条带顶部及条带间的暴露p-GaN区域。

接下来以厚Ni为金属掩模，在p-GaN/n-GaN层中刻蚀沟槽。沟槽长度定义SJ长度(L_SJ)，设定为6 µm。刻蚀后的TMAH处理有助于修复等离子体损伤，确保侧壁平滑。

随后形成阳极和阴极焊盘接触，再沉积NiO。研究发现，W_p为0.23 µm时可在间隙S中实现保形覆盖，因此该间隙S仅被NiO部分填充。TCAD模拟证实这种部分填充可实现均匀的横向电场。

NiO中N_A的控制通过溅射过程中的氧分压实现。目标N_A为4.3×10¹⁷/cm³，在W_p为0.23 µm、W_n为2.5 µm、N_D为8×10¹⁶ /cm³条件下实现电荷平衡。NiO溅射后在225 °C下退火完成工艺。需注意，阳极接触条带水平接触p-GaN层，垂直接触p-NiO层。与NiO的良好接触对器件工作至关重要。

器件结果

在W_n = 2.5 µm(达到最佳电荷平衡)时，GaN-on-GaN SJ二极管的击穿电压达到1100 V。推导得出GaN中峰值电场为2.64 MV/cm，NiO中为2.34 MV/cm。

SJ失衡(通过改变W_n)会显著降低BV，如图2所示。图2左图显示标准一维肖特基二极管的BV低得多，突显了SJ概念的优势。

图2

最佳SJ二极管的比导通电阻(RON-SP)测得为0.3 mΩ-cm²。该BV和RON-SP指标优于Si和SiC SJ二极管。缩小W_n(并相应提高N_D)可显著改善RON-SP。尽管3.2 V的较高开启电压使得最小最优净功率损耗处于较高平台，但本工作所展示的SJ器件可为未来SJ GaN器件的改进奠定基础。