Достижения в вертикальных PN-диодах на GaN: комплексный обзор

Аннотация

Нитрид галлия (GaN) как представитель широкоразричных полупроводников привлекает внимание благодаря выдающимся свойствам: высокой подвижности электронов, скорости насыщения и критическому электрическому полю. Вертикальные GaN-устройства считаются одними из самых перспективных для силовой электроники благодаря способности к высокому напряжению, току и пробою. Среди них вертикальные PN-диоды на GaN (PND) детально изучены и показывают большой прогресс в электрических характеристиках на базе высококачественной эпитаксии и структурного дизайна. Однако качество эпитаксии требует дальнейшего улучшения. Главная проблема — эффект скопления электрического поля на краю устройства, приводящий к преждевременному пробою и ограничивающий реализацию превосходств GaN, который сейчас смягчается краевой терминацией. Обзор фокусируется на достижениях в эпитаксиальном росте материалов и технологиях краевой терминации, затем рассматриваются текущие разработки GaN и потенциальные преимущества над SiC, различия между Шоттки-диодами (SBD) и PN-диодами по механизмам и характеристикам, преимущества вертикальных устройств над латеральными. Дается прогноз и раскрываются тенденции дизайна вертикальных GaN PND для силовой систем, включая вchoатные вертикальные GaN PND.

Введение

Глобальное энергопотребление растет быстрее прошлых десятилетий из-за промышленного и экономического роста. Требуются передовые энергосберегающие технологии. Кремниевые устройства доминируют в силовой электронике. IGBT с 1982 года вытесняют биполярные и MOSFET в преобразовании и передаче энергии. Но кремниевые силововые устройства достигли фундаментальных материальных пределов.

GaN — один из широкоразричных полупроводников (SiC, GaN, Ga₂O₃, алмаз), позволяющих создавать силововые устройства с низкой емкостью и сопротивлением для заданного пробойного напряжения по сравнению с Si. Ожидаются GaN-устройства с низким потреблением, высокой плотностью мощности и КПД. Таблица 1: GaN имеет более высокую фигуру мерита Балиги (BFOM) чем SiC (уже коммерциализирован), благодаря большей скорости насыщения и критическому полю. SiC лучше по теплопроводности. GaN превосходит Ga₂O₃ по подвижности и теплопроводности, и позволяет p- и n-легирование. Алмаз далек от практики. GaN-устройства (трехтерминальные HFET, MOSFET; двухтерминальные SBD, PND) — ключевые темы исследований с прогрессом в выпрямлении и преобразовании энергии.

GaN против SiC

По внутренним свойствам GaN слегка превосходит SiC: шире запрещенная зона, выше критическое поле, выше скорость насыщения, BFOM в 3–4 раза лучше. Значит, GaN-устройства должны превосходить SiC. На практике вертикальные GaN-устройства критичны для высокой плотности мощности и частоты (Рис. 1). SiC-устройства за десятилетие достигли высокого напряжения, низкого удельного сопротивления, высокой скорости. Благодаря исследованиям с 1980 г. и доступным крупным SiC-субстратам с дефектами <10⁴ см⁻², SiC SBD и JFET первыми коммерциализировались в 2001 г. MOSFET и BJT на SiC показывают впечатляющие результаты в высоковольтной силовой электронике.

GaN развивался медленнее. Неудовлетворительное качество материала не позволяет реализовать теоретические преимущества. Из-за отсутствия GaN-субстратов большинство работ на латеральных структурах (AlGaN/GaN гетероструктуры). AlGaN/GaN с подвижностью 2000 см²/В·с (2DEG) и 1000 см²/В·с (объемный GaN), скоростью насыщения 2,5×10⁷ см/с превосходят SiC в высокочастотных приложениях и низкой мощности. AlGaN/GaN SBD показывают отличную транспортировку на микроволнах и миллиметровых волнах. Пример: 5,8 ГГц выпрямитель на AlGaN/GaN SBD с входной мощностью 6,4 Вт, V_on 0,38 В, пробой 3000 В. Макс. частота среза ~1 ТГц при 0 В при расстоянии анод-катод 70 нм.

Для вертикальных GaN-устройств идеален объемный GaN-субстрат (гомоэпитаксия без несоответствия). Низкая плотность дислаций критична для характеристик: пробой, обратная утечка, выход, надежность. Развитие вертикальных устройств стимулировалось прогрессом GaN-субстратов. Но из-за незрелости вертикальных триодов, вертикальные диоды — горячая тема. Вертикальные GaN SBD имеют похожие высокочастотные преимущества (высокая скорость, низкое восстановление, низкие потери), но большую плотность тока и меньше путей утечки чем латеральные. Проблемы GaN-субстратов: плотность дислаций 10⁴–10⁶ см⁻² (выше Si/SiC); размер 2–3 дюйма и стоимость 100 евро/см² против 4–6 дюймов и 10 евро/см² SiC — сдерживают коммерциализацию. Гетероэпитаксия на чужих субстратах (Si, сапфир, SiC) — альтернатива для снижения стоимости, но проблема несоответствия и дефектов остается. Дополнительная сложность — получение качественного p-GaN. В отличие от зрелой ионной имплантации Al в SiC, незрелая p-ионная имплантация и низкая активация акцепторов в p-GaN тормозят развитие структур и технологий. Поэтому различные краевые терминации — ключевая часть обзора.

Вертикальные GaN-устройства на FS-субстрате

До 10 лет назад большинство GaN-диодов (SBD, PND) делали на чужих субстратах в латеральных/квазивертикальных структурах из-за отсутствия объемного GaN. Латеральные диоды показывают хорошие характеристики, но имеют структурные недостатки: неизбежны несоответствие и дефекты; буферный слой между GaN и чужим субстратом вызывает изгиб пластины, уменьшая толщину эпитаксии; большое тепловое граничное сопротивление ухудшает работу при высокой плотности мощности. С развитием эпитаксии свободностоящий GaN (FS-GaN) с низкой дислацией для вертикальных устройств прогрессировал. Качество гомоэпитаксии на FS-GaN очевидно улучшилось, открыв потенциал для силового применения. Вертикальные устройства устраняют недостатки латеральных: можно растить толстые эпитаксиальные слои без буфера, получать более высокий пробой (определяемый толщиной дрифт-слоя); максимальное поле внутри устройства, далеко от поверхности (исключая ловушки электронов, типичные для латеральных). С 2011 г. на FS-GaN изучаются вертикальные GaN PND с высоким пробоем и низким сопротивлением открытого состояния.

PND против SBD

Диоды критичны для преобразования и инверсии энергии. GaN SBD и PND показывают заметные характеристики. Рис. 2: PND охватывают самый большой диапазон напряжений (600–5000 В) среди GaN-устройств — шире сценарии применения. SBD имеют низкое V_on и быстрое восстановление — низкие потери проведения/переключения, высокую частоту, но меньший пробой чем PND. Высокое V_on увеличивает потери и снижает КПД. В высокомощных приложениях квазивертикальные/вертикальные SBD превосходят AlGaN/GaN SBD. Достигают низкого V_on (<0,5 В) настройкой барьера металлом с низкой работой выхода, но низкий барьер повышает утечку и снижает пробой. Различные краевые терминации улучшают характеристики: подтверждена плотность тока KA/см² с пробоем >1 кВ. Вертикальные SBD показывают способность к высоким частотам: 177–183 ГГц, макс. 902 ГГц при 0 В — перспективно для терагерцовых систем.

p-GaN, выросший MOCVD и MBE с Mg-акцептором, позволяет PND. По сравнению с SBD, PND имеют: низкое удельное сопротивление (R_on·A), адекватную стабильность, способность подавлять импульсные токи. Несмотря на высокое V_on (>3 В) и меньшую скорость, получают сверхнизкую утечку (высокий барьер) и высокий пробой (0,6–5 кВ) — главное преимущество PND. PND — перспективные строительные блоки следующих силовых систем с высоким КПД и низкими потерями. Краевые терминации для PND также развиваются для снятия скопления поля у анода. PN-переход можно рассматривать как новую структуру. Для объединения высокого пробива/низкой утечки PND и высокой скорости/низкого V_on SBD предлагаются JBS (junction barrier Schottky) и MPS (merged PN Schottky) с p-типными решетчатыми областями в контакте Шоттки. JBS/MPS комбинируют прямое проведение SBD и обратную блокировку PND, ожидают лучшие коммутационные характеристики и более высокое обратное напряжение. Кроме силовой электроники, GaN PND используются в оптоэлектронике: LED, фотодетекторы, датчики пламени (низкие темновые токи ~пА в PN-фотодиодах).

Цель обзора

На базе превосходных свойств GaN, вертикальные GaN PND широко изучены и показывают отличную BFOM. Краевые терминации критичны для снятия скопления поля у анода. В обзоре акценты: достижения в эпитаксиальном росте материалов и краевых терминациях, затем — текущее развитие GaN, отличия SBD и PND, преимущества вертикальных над латеральными. Дается прогноз и тенденции дизайна вертикальных GaN PND для силовой систем, включая вchoатные. Развитие эпитаксии по слоям — раздел 2. Краевые терминации — раздел 3. Вертикальные PND на Si-субстрате — раздел 4. Заключение и перспективы — в конце.

Эпитаксиальный рост материалов

GaN-субстрат вертикальных PND

Основной процесс — MOCVD на проводимых GaN-субстратах, выросших гидридной парофазной эпитаксией (HVPE). Качество субстрата напрямую влияет на последующую эпитаксию. Многие механизмы отказа исходят от качества субстрата. Необходим высококачественный проводимый GaN-субстрат для улучшения прямых и обратных I-V, особенно утечки и пробоя. HVPE считался удобным для массового производства (низкая стоимость, воспроизводимость). Ранние субстраты имели высокую фоновую концентрацию (>10¹⁹ см⁻³) и плохое качество, поэтому HVPE не использовали для устройств. С развитием технологии качественный объемный GaN HVPE стал возможен. Кроме субстрата, частичные эпитаксиальные слои теперь растут HVPE, давая более высокую равномерность тока и устраняя макроступеньки на поверхности GaN комбинацией HVPE и MOCVD без углерода по сравнению с чистым MOCVD. Доступны коммерческие GaN-субстраты с дислациями <10⁴ см⁻². Обработаны вертикальные PND на низко-дефектных субстратах. Но изгиб пластины остается проблемой. Перспективное решение — аммонотермальный метод: при высоком давлении и надкритическом аммиаке дислации снижаются до 10⁴–10⁵ см⁻². На аммонотермальном субстрате получено низкое сопротивление 0,001 Ом·см² при высоком n-легировании (10¹⁹–10²⁰ см⁻³) и пробой 3 кВ. Недостаток — низкая скорость роста 80–90 мкм/день, невыгодно для производства. Повышение скорости с сохранением качества — перспективное направление.

Исследуются также не-Ga-плоскостные (c-плоскость) субстраты. Обычно используют Ga-полярный (c-плоскость) субстрат, последующие слои имеют сильный поляризационный эффект. В напралении N-полярный гомоэпитаксиальные слои показывают уникальные свойства из-за более высокой температуры декомпозиции и поляризационно-зависимых свойств. На N-полярном FS-GaN получено поле 2,2 МВ/см без терминаций и пробой 2,4 кВ с N₂O плазмой и полевой пластиной (FP). Другая особая подложка — m-плоскость, неполярная (Ga:N = 1:1 против только Ga в c- и только N в N-полярных). На неполярном GaN получены PND с критическим полем 2,0 МВ/см и высоким on/off без FP или терминации.

Эпитаксиальные техники N-GaN

До появления качественных проводимых GaN-субстратов PND делали на чужих (Si, SiC, сапфир) в латеральных структурах. Метод латерального надрастания через маску на сапфире снижал дислации в оконной области, подавляя утечку на 3 порядка. С развитием технологии доступны односкристаллические GaN-субстраты с дислациями 3×10⁻⁶ см⁻² (опечатка в оригинале, вероятно 3×10⁶ см⁻²). PND на GaN-субстратах с верхними слоями MOCVD показывают низкую утечку и пробой 600 В–4 кВ при толщине дрифт-слоя 6–40 мкм. По сравнению с сапфиром — значительное улучшение. На родном GaN-субстрате в структуре PND обычно нет специального буферного слоя, как на чужих. Влияние буфера изучали как референс: буфер снижает дефекты дрифт-слоя, позволяет больший пробой при более тонком дрифте но толстом буфере. Утечка тоже улучшается. Параметры сильно зависят от толщины буфера, слабо влияют на прямые характеристики.

Верхние эпитаксиальные слои осаждают MOCVD, MOVPE, MBE. Структура PND: высоколегированный n⁺-GaN слой и дрифт-слой n⁻-GaN между субстратом и p-GaN (Рис. 3). n⁺-GaN служит переходным слоем на проводимом субстрате. Пробой определяет области применения. В PND пробой несет дрифт-слой (легко легированный n⁻-GaN) расширением зоны истощения (уравнение 1). Пробив происходит при дальнейшем увеличении обратного смещения. Устройства делятся на непробивные (W_D > W_Dm) и пробивные (W_D < W_Dm). Большинство вертикальных GaN — пробивные: зона истощения достигает n⁺-подложки до пробива. Пробой можно повысить увеличением толщины и уменьшением легирования дрифт-слоя (уравнение 2). Опыт показывает: более толстый дрифт с низким легированием незначительно увеличивает сопротивление открытого состояния. Уменьшение n-легирования дрифт-слоя сейчас трудно из-за высоких фоновых примесей (Si, O и др.). Для дальнейшего снижения вводят номинально i-GaN ~10¹⁵–10¹⁶ см⁻³ контактирующий с p-GaN, образуя p-i-n структуру для повышения пробива. Предусловие — высокое эпитаксиальное качество дрифт-слоя, так как дислации повышают утечку и деградируют пробой.

Для улучшения качества дрифт-слоя изучали рост MBE на GaN-субстрате. Получены утечка <3 нА/см² и поле 3,1 МВ/см при очень низкой дислации. Почти идеальные пробойные характеристики показывают эффективность MBE для эпитаксии вертикальных GaN PND. Но медленный рост и высокая стоимость делают MBE непригодным для массового производства. MOCVD остается основным производственным методом. Повышение качества MOCVD-слоев — срочная задача, требующая времени. Поэтому на этом этапе предлагают передовые структурные дизайны для высокой производительности.

P-GaN эпитаксия

p-GaN, важный компонент вертикальных PND, получен в 1989 г. (HVPE GaN — 1969 г.). Сначала для синих LED. Затем в силовой электронике: normally-off устройства и PND. В вертикальных PND p-GaN имеет легкое (~10¹⁹ см⁻³) и тяжелое (≥10²⁰ см⁻³) легирование для формирования PN-перехода с дрифтом и омического контакта анода. Обычно p-GaN расти MOCVD при ~1000 °С с Mg²⁺ акцептором. Выращенный слой активируют при 700–800 °С в N₂ или 400 °С в O₂ для получения высокой дырочной концентрации. Но высокая ионизационная энергия Mg-H (150–200 мэВ) дает активацию только 1–3%. Низкая активация связана с температурой: Mg может репассивироваться при ≥600 °С в NH₃ или H₂. Повышение легирования не решает проблему: высокое легирование ухудшает кристаллическое качество и снижает дырочную концентрацию самокомпенсацией. Пик дырочной плотности обычно при акцепторе ~3×10¹⁹ см⁻³. Проблемы p-GaN остаются, исследования немного — возможно из-за ограничений материала/оборудования или того, что текущий p-GaN дает сопоставимую производительность.

Оптимизация условий роста и новые процессы все равно изучаются. В 2017 г. предложен неактивированный переращенный p-GaN методом MBE с преимуществом над MOCVD. В низководородной среде получен пробой 1,1 кВ и идеальность 2,5 в вертикальных GaN PND. Другой метод — Mg-ионная имплантация с ультравысокодавлением отжигом (UHPA). Результаты: высокая активация 70% и подвижность дырок 24,1 см²/В·с при отжиге 1573–1753 К под N₂ давлением 1 ГПа. Сопоставимо с MOCVD. Вывод: коммерческие низко-дефектные GaN-субстраты доступны. Эпитаксиальная технология еще развивается, сильно влияя на устройства. MBE дает отличное качество и производительность без терминаций, но медленный рост и высокая стоимость не для массового производства. MOCVD — основной метод. Повышение качества MOCVD-слоев — срочно, займет время. Поэтому передовые структурные решения для высокой производительности на этом этапе.

Технологии краевой терминации

Для вертикальных GaN PND пробой — ключевой параметр. Почти все исследования фокусируются на повышении обратного выдерживаемого напряжения. Но из-за скопления поля на краю PN-перехода, края зоны истощения или электрода происходит преждевременный пробой. Для снижения скопления разрабатывают передовые структурные дизайны (краевые терминации). Различные техники теперь применяются для релаксации скопления поля на краю GaN PND для более высокого пробива. Основные: полевая пластина (FP), ионная имплантация и плазменная обработка, меза-травиление под разными углами/ступеньками и стражевые кольца (GR).

Металлические полевые пластины

FP широко используется в GaN-устройствах для переноса пикового поля от края затвора, анода или перехода. Этот метод релаксирует интенсивность поля на краю PN при обратном смещении. Низкая утечка и высокий пробой при обратном напряжении достигаются FP-терминацией с относительно простым процессом. Преимущества FP: простая технология, совместимость с процессом устройства. Диэлектрик FP одновременно пассивирует устройство. Как самая ранняя и широко используемая терминация для вертикальных GaN PND, сначала применяли нерастянутую FP (Рис. 4a). Меза-структуры травят ИСП сухим травлением. Для подавления паразитных утечек от плазменного повреждения осаждают пассивирующий диэлектрик на всем аноде и всей меза-структуре. Для дальнейшей релаксации поля на периферии PN-перехода используют растянутый металл FP, покрывающий всю мезу, снижая утечку и повышая пробой (Рис. 4b). Эта оптимизированная FP-структура теперь широко применяется. Пробой >3 кВ с растянутой FP. Утечка также подавлена до очень низкого уровня при 3 кВ. Пассивирующий слой критичен для характеристик. Предлагают высокок диэлектрик по моделированию, обеспечивая равномерный обратный ток. Вертикальные GaN PND с FP на Ga₂O₃ (диэлектрическая проницаемость 10) как пассивации показали улучшение пробия с 200 до 550 В — высокок пассивация перспективна для FP-терминации. Недостатки FP: дефекты при осаждении диэлектрика и на границе диэлектрик/GaN вызывают ловление носителей, ведущее к нестабильности при длительной работе. Нужно оптимизировать процесс осаждения диэлектрика.

Меза-терминация

Меза-травиление — обязательный шаг для изоляции соседних устройств в планарных GaN-устройствах. Из-за простоты процесса популярно для вертикальных PND. Помимо равномерного поля на краю PN, достигают высокий пробой с ненарушительными и лавинными характеристиками. Пример: глубокая меза (>10 мкм) дает отличные результаты (Рис. 5a) — ненарушительный пробой и лавинные характеристики. Новые меза-структуры (Рис. 5b): двухмеза (two-step mesa) в вертикальных PND. Относительно обычной одноступенчатой мезы, двухмеза переносит пиковое поле от края PN-перехода под утонченный p-GaN верхней мезы из-за полного истощения дырок в утонченном p-GaN. Успешно достигнут пробой 4,7–4,8 кВ с ненарушительной особенностью. Лавинная способность без ухудшения прямых I-V. Двухмеза работает и для квазивертикальных PIND: пробой улучшен с 665 до 835 В с низкой утечкой. Кроме перпендикулярной мезы, предложена меза с отрицательным скосом (bevel) для смягчения скопления поля на краю PN. При bevel-углу θ < 90° поле на крае падает, пик переносится внутрь. Экспериментально: скошеная меза (Рис. 6a) дает пробой >3 кВ и низкую утечку при 3 кВ по сравнению с крутой мезой при той же FP. TCAD-моделирование (Рис. 6b): макс. поле определяется N_A в p-GaN, N_D в n⁻-дрифте и θ скоса. Теоретично: меньший θ дает более высокое параллельно-плоскостное пробойное поле E_pp. При фиксированном θ легко легированный p-GaN полезен для высокого пробива. Для θ=10° эксперимент подтверждает: E_pp = 2,86 МВ/см, согласуется с моделированием. Как и для FP, сухое травление и/или изолятор/пассивация нужны в процессе терминации. Повреждения сухим травлением вызывают высокую утечку, даже преждевременный пробой. Высокие требования к точности и контролю глубины травления. Повреждения усложняют граничные состояния на интерфейсе изолятор/полупроводник, влияя на надежность. Снижение повреждений неизбежно. Применяются рецепты: ТМАГ (тетраметиламмоний гидроксид) и пост-отжиг для удаления повреждений мокрым травлением и восстановления после сухого.

Ионная обработка

Ионная имплантация использовалась для смягчения концентрации поля на крае. Как относительно простая терминация, изучалась в GaN-устройствах: компенсирующие виды (O, H, Zn) или инертные (Ar, N, He, Kr) для создания глубоких ловушек в зонах терминации. Недавно для предотвращения преждевременного пробива в вертикальных GaN PND применяют ионно-имплантированные терминации (N, F, Mg, H), но механизмы разные. В отличие от вертикальных GaN SBD, N-имплантация в PND имеет другой механизм: создание донорно-подобных дефектов (вакансии N, интерстициалы N) для компенсации p-легирования. После N-имплантации (Рис. 7a,b) проводимость p-GaN снижается или устраняется (изолятор). Для дальнейшего повышения пробива предлагают неполностью компенсированный слой: полностью компенсированный слой в связке с частично компенсированным в p-GaN. Ожидается более высокий пробой, механизм проанализирован моделированием. Экспериментально: N-имплантация с частично компенсированным p⁺-GaN дает пробой 1,68 кВ без ухудшения прямых характеристик. Водородно-плазменная (H-плазма) терминация тоже снижает проводимость p-GaN, но другим механизмом: H-плазма эффективно пассивирует, превращая проводимый p-GaN в высокоомный из-за сильной связи Mg-H. В отличие от N-имплантации, H-плазма более уместна для вертикальных PND из-за низкого повреждения, низкой температуры и простой операции. Рис. 8a: PND с только H-плазмой показывают поле 3,0 МВ/см, сравнимые прямые I-V и более низкую утечку. Фтор (F) тоже модулирует пиковое поле за счет отрицательных фиксированных зарядов при обратном смещении. Но для F-имплантации в вертикальных PIND нужен строгий дизайн и оптимизация. Помимо N, H, F, Mg-ионная имплантация — альтернатива для преобразования поверхностных/интерфейсных состояний от повреждений ИСП сухим травлением. Недавно Mg-имплантация с меза-мостом (moat mesa) компенсировала донорно-подобные повреждения в вертикальных GaN PND (Рис. 8b). Достигнут пробой 1,5 кВ при удельном R_on 0,7 мОм·см². Ионная имплантация — эффективный метод для высокого пробива, процесс относительно прост. Но кристаллические повреждения при высокоэнергетической имплантации. Пост-отжиг при высокой температуре нужен для снятия повреждений. Требуется прямоугольный профиль имплантации, глубина должна контролироваться точно. Оборудование дорогое из-за высокой энергии ионов.

Стражевые кольца

Плавающие стражевые кольца (GR) как терминация для повышения пробива эффективны для вертикальных GaN PND: обратное напряжение падает на GR, релаксируя скопление поля. Процесс GR не требует спецшага, синхронизирован с осадкой анодного металла. Для более высокого пробива GR в FP-структуре fabriцировали в PND (Рис. 9a), где полиимид между GR и анодом служит резистивным элементом для дополнительного падения напряжения. Благодаря резистивной части получен прирост 0,2–0,4 кВ до макс. 5,0 кВ. По сравнению с обычными PND без GR, устройство с резистивным GR имеет похожие прямые I-V (R_on 1,25 мОм·см²), но более низкую утечку с BFOM 20 ГВ/см². Помимо плавающих GR, H-плазменные GR применялись для терминации. Низкая диффузия H-плазмы дает идеальный профиль в GaN. Благодаря пассивации H-плазмы p-GaN становится высокоомным, и GR формируется высокоомным p-GaN кольцом (Рис. 9b). Узкие GR 1–2 мкм и уменьшающиеся интервалы улучшают пробой. Измерены GR с разным числом колец. Прямые характеристики похожи (~0,65 мОм·см², идеальность 1,65). Больше колец сильнее релаксируют поле на крае. Пробой растет с числом колец: 1,7 кВ при 10 GR с макс. полем 3,43 МВ/см. Недостаток GR — низкий коэффициент использования площади, GR требует большую площадь, часто больше анода. Усложняет дизайн (ширина, интервалы). Сейчас в одном вертикальном GaN PND комбинируют два и более вида терминаций для более высокого пробива: обычно FP, скошеная меза, GR из-за простой фабрикации. Эти терминации не вводят чужеродные элементы в GaN-кристалл, в отличие от ионной обработки — полезно для производительности. Но качество эпитаксиальных слоев все равно занимает значительную долю.

Вертикальные GaN PND на Si-субстрате

Хотя вертикальные GaN-on-GaN показывают отличную производительность, высокая стоимость и малый диаметр GaN-субстратов сдерживают массовое применение. Учитывая преимущества Si-субстрата (крупный масштаб, низкая стоимость), GaN-on-Si привлекает внимание. Для квазивертикальных PND на Si критичен качественный буфер. В работе [91] оптимизацией нуклеационного AlN и последующего роста получен дрифт-слой GaN с дислациями 2,95×10⁸ см⁻² и подвижностью 720 см²/В·с. С FP: пробой 820 В при R_on 0,33 мОм·см². Помимо несоответствия материалов, проводимый буфер и Si-субстрат фундаментальны для полностью вертикальных PND на Si. Рис. 10b: n⁺-Si как катод вертикальных PND. Тонкий Si-легированный AlN и GaN/AlN натяженная сверхрешетка для улучшения характеристик. Вертикальные PND на Si с FP: пробой 288 В при дрифте 1,5 мкм. Более высокий пробой 720 В при дрифте 5,7 мкм (Рис. 10c). В отличие от проводимого Si, омический контакт катода сзади сделан траншей, достигающим n⁺-GaN через селективное удаление обычного Si и буфера. Альтернатива — технология переноса слоев. Рис. 10d: layer transfer для вертикальных PIND на Si. После удаления Si, переноса, n-электрода, пассивации боковин — R_on 3,3 мОм·см², пробой 350 В. Высокая BFOM 37,0 МВ/см² показывает эффективность substrate removal для GaN PIND на Si. Но более сложный процесс и выше стоимость — проблемы на этапе удаления субстрата. Как альтернативный технический путь, PND на Si делают квазивертикальными или вертикальными. Для смягчения существенного несоответствия Si/GaN нужна более эффективная эпитаксиальная технология. Для более высокого пробива нужен более толстый дрифт-слой, но на Si его толщина ~5 мкм — еще одна ключевая проблема.

Будущие вызовы и заключение

Вертикальные PND необходимы для одновременного получения высокого тока (>100 А) при высоком напряжении (>600 В) для приложений: электромобили, переработка возобновляемой энергии. Несмотря на прогресс, вертикальные GaN PND сталкиваются с барьерами: стоимость и технические ограничения. Для FS-GaN субстрата высокое эпитаксиальное качество с низкой дислацией достигнуто обычным MOCVD. Малый размер и высокая стоимость FS-GaN ограничивают применение узким диапазоном и повышают цену GaN. Коммерческий GaN-субстрат только 2 дюйма, намного меньше 4–6 дюймов SiC и 8–12 дюймов Si. Главный вызов — высокое эпитаксиальное качество, особенно p-GaN с высокой дырочной концентрацией. Недавно предлагают новые PND с заменой p-GaN на NiOₓ термической окислительной или распылительной синтеза — тоже демонстрируют отличную производительность как замена p-GaN в вертикальных PND и GR в GaN SBD. Вертикальные GaN PND как одно из самых перспективных силововых устройств рассмотрены и обобщены. Недавний прогресс: сравнение материалов (SiC vs GaN), структур (SBD vs PND), эпитаксиальный рост и краевые терминации (FP, MESA, ионные, GR). Значения R_on vs BV по разным технологиям на Рис. 11. Помимо эпитаксии, краевые терминации играют ключевую роль для высокой производительности на этом этапе. Несмотря на прогресс, преимущества вертикальных GaN PND не полностью реализованы. Характеристики можно улучшить оптимизацией структуры и эпитаксиального качества в следующих исследованиях. Тогда коммерческие вертикальные GaN PND скоро появятся при зрелых терминациях и эпитаксиальных технологиях.