Fortschritte bei vertikalen GaN-PN-Dioden: Ein umfassender Überblick

Zusammenfassung

Als repräsentatives Weitbandlücken-Halbleitermaterial hat Galliumnitrid (GaN) aufgrund seiner überlegenen Materialeigenschaften (hohe Elektronenbeweglichkeit, hohe Elektronensättigungsgeschwindigkeit, kritisches elektrisches Feld) zunehmende Aufmerksamkeit erfahren. Vertikale GaN-Bauelemente gelten als vielversprechendste Kandidaten für Leistungselektronikanwendungen und zeichnen sich durch hohe Spannung, hohen Strom und hohe Durchbruchspannung aus. Unter diesen wurde die vertikale GaN-basierte PN-Übergangsdiode (PND) intensiv untersucht und zeigt großen Leistungsfortschritt auf Basis hoher Epitaxiequalität und Bauelementstrukturdesign. Die Epitaxiequalität erfordert jedoch weitere Verbesserung. Hinsichtlich der elektrischen Bauelementleistung ist der elektrische Feldaufstau am Bauelementrand ein drängendes Problem, der vorzeitigen Durchbruch verursacht und die Entfaltung der GaN-Materialvorteile limitiert,目前 jedoch durch Randbegrenzung gemildert wird. Dieser Überblick betont Fortschritte in materialseitiger epitaktischer Wachstumstechnik und Randbegrenzungstechniken, gefolgt von der Untersuchung aktueller GaN-Entwicklungen und potenzieller Vorteile gegenüber Siliziumkarbid (SiC) für Materialien und Bauelemente, den Unterschieden zwischen GaN-Schottky-Barrieredioden (SBDs) und PNDs hinsichtlich Mechanismen und Eigenschaften sowie den Vorteilen vertikaler gegenüber lateralen Bauelementen. Anschließend gibt der Überblick einen Ausblick und enthüllt den Designtrend vertikaler GaN-PNDs für Leistungssysteme, einschließlich inchoater vertikaler GaN-PNDs.

Einleitung

Der globale Energieverbrauch steigt aufgrund des rapiden Industrie- und Wirtschaftswachstums viel schneller als in den vergangenen Jahrzehnten. Daher sind fortschrittliche Energiespartechnologien erforderlich, um die Probleme des steigenden Energieverbrauchs zu lindern.

Siliziumbasierte Bauelemente dominieren derzeit den Leistungsbauelementmarkt [1]. Unter diesen spielen IGBT-Strukturen (Isoliert-Gate-Bipolar-Transistoren) eine bedeutende Rolle und zeigen einen wachsenden Trend zur Ablösung von Leistungs-Bipolar-Transistoren (BJTs) und MOSFETs seit der Erfindung der IGBTs 1982 [2]. Gegenwärtig sind IGBTs unverzichtbare Elemente der Leistungselektronik für Umwandlung und Übertragung [3]. Siliziumbasierte Leistungsbauelemente haben jedoch ihre fundamentalen Materialgrenzen erreicht und werden breit in elektrischen Energieanwendungen eingesetzt.

Angesichts seiner herausragenden Eigenschaften ist GaN eines der Weitbandlücken-Halbleitermaterialien (neben SiC, GaN, Ga₂O₃ und Diamant), die Leistungsbauelemente mit niedriger Kapazität und Widerstand für eine gegebene Durchbruchspannung gegenüber Si-basierten Bauelementen ermöglichen. Daher werden GaN-basierte Bauelemente mit niedrigem Energieverbrauch, hoher Leistungsdichte und hohem Umwandlungswirkungsgrad für Leistungselektroniksysteme erwartet.

Wie in Tabelle 1 dargestellt, besitzt GaN eine deutlich höhere Baliga-Figure-of-Merit (BFOM) als SiC (das bereits kommerzialisiert ist), was auf seine höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeit und höheres kritisches elektrisches Feld zurückzuführen ist. SiC weist jedoch eine bessere Wärmeleitfähigkeit auf. Zudem besitzt GaN eine höhere Ladungsträgermobilität µ und höhere Wärmeleitfähigkeit und erreicht sowohl p- als auch n-Typ-Dotierung im Vergleich zu Ga₂O₃. Beim ultimativen Weitbandlücken-Halbleiter Diamant müssen noch erhebliche Fortschritte erzielt werden, um das praktische Stadium zu erreichen. Bisher sind GaN-basierte Bauelemente – Dreiterminal-Bauelemente (Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (HFETs) und MOSFETs) und Zweiterminal-Bauelemente (SBDs und PNDs) – zu zentralen Forschungsthemen geworden, und große Fortschritte wurden in ihren Anwendungen in Leistungsgleichrichtung und -umwandlung erzielt.

GaN versus SiC

Hinsichtlich der inhärenten Materialeigenschaften besitzt GaN leicht überlegene Vorteile gegenüber SiC, darunter eine breitere Energiebandlücke, höheres kritisches elektrisches Feld, höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeit und eine 3–4× bessere BFOM für Leistungsbauelemente [6]. Angesichts dieser herausragenden Merkmale sollten GaN-basierte Bauelemente SiC-basierte Pendants übertreffen. In der praktischen Anwendung sind vertikale GaN-basierte Bauelemente für hohe Leistungsdichte und hohe Betriebsfrequenz essenziell (Abb. 1) aufgrund ihrer exzellenten Materialeigenschaften.

Potenzielle Anwendungen von GaN- und SiC-Leistungsschalttransistoren [7]

Als die ausgereiftesten Weitbandlücken-Halbleiter haben SiC-Bauelemente in den letzten zehn Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt und zeigen vielversprechende Leistung hinsichtlich hoher Spannung, niedrigem spezifischem Ein-Widerstand und schneller Schaltgeschwindigkeit [8]. Angesichts der tiefgreifenden Forschungsbasis seit 1980 und verfügbarer größerer SiC-Substrate mit niedriger Defektdichte (< 10⁴ cm⁻²) waren SiC-SBDs und Junction-Feldeffekttransistoren (JFETs) die ersten kommerzialisierten SiC-basierten Bauelemente seit 2001. Andere SiC-Leistungsbauelemente einschließlich MOSFETs und BJTs wurden im Bereich Hochspannungs- und Leistungsanwendungen erfolgreich entwickelt und demonstrierten beeindruckende Leistung [9].

Im Vergleich dazu entwickelten sich GaN-Bauelemente sehr langsam. Ihre unzureichende Materialqualität verhindert die Realisierung einiger ihrer theoretisch überlegenen Eigenschaften. Mangels GaN-Substraten basieren die meisten Studien zu GaN-Bauelementen derzeit hauptsächlich auf lateralen Strukturen (z. B. AlGaN/GaN-Heterostruktur). Mit seiner höheren Elektronenbeweglichkeit von 2000 cm²/V·s (zweidimensionales Elektronengas (2DEG) in AlGaN/GaN), 1000 cm²/V·s (bulk GaN) und höherer Sättigungsgeschwindigkeit von 2,5 × 10⁷ cm/s relativ zu SiC-Pendants werden AlGaN/GaN-Bauelemente für Hochfrequenzanwendungen bevorzugt und weisen niedrigere Leistungsverluste gegenüber SiC-Bauelementen auf [10]. Im Hochfrequenzbereich erzielen AlGaN/GaN-SBDs exzellente elektrische Transporteigenschaften und eignen sich besser für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen im Watt-Bereich [11, 12]. Die AlGaN/GaN-SBD ist ein repräsentatives Bauelement für GaN-SBDs. Die hohe 2DEG-Mobilität bedeutet, dass AlGaN/GaN-SBDs enorme Leistungsvorteile bei Hochfrequenzanwendungen gegenüber vertikalen SBDs zeigen und gleichzeitig eine niedrige Einschaltspannung aufweisen. Kürzlich bildeten AlGaN/GaN-SBDs die Basis für einen 5,8-GHz-Gleichrichterkreis mit 6,4 W Eingangsleistung, 0,38 V Einschaltspannung und 3000 V Durchbruchspannung (BV) [13, 14]. Die maximale Grenzfrequenz liegt nahe 1 THz bei 0 V mit Anode-Kathode-Abstand von 70 nm [15].

Für GaN-basierte Leistungsbauelemente ist das GaN-Substrat (bulk GaN) ideal für epitaktisches Wachstum, da Homoepitaxie-Technologie eingesetzt werden kann, um Fehlanpassung zu eliminieren. Die niedrige Versetzungsdichte von bulk GaN ist essenziell für das epitaktische Substrat, da hohe Versetzungsdichte Leistungsmerkmale wie BV, Rückwärtsleckstrom, Produktionsvolumen und Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann [16]. Die Entwicklung vertikaler GaN-basierter Bauelemente wurde in den letzten Jahren durch Fortschritte beim GaN-Substrat vorangetrieben. Angesichts der noch relativ unreifen Technologie für vertikale Trioden ist die vertikale GaN-Diode in diesem Anfangsstadium ein heißes Forschungsthema. Im Vergleich zu AlGaN/GaN-SBDs haben vertikale GaN-SBDs ähnliche Vorteile im Frequenzbereich wie hohe Schaltgeschwindigkeit mit niedriger Rückwärtserholungszeit und niedrigem Leitverlust; letztere weisen jedoch größere Stromdichte und weniger Leckpfade auf [17, 18].

Einige Probleme bestehen beim GaN-Substrat. Erstens sind GaN-Substrate derzeit mit Versetzungsdichten von 10⁴–10⁶ cm⁻² verfügbar, diese sind jedoch noch weit höher als bei Si- und SiC-Substraten [19]. Zweitens hemmen die 2–3-Zoll-Größe und der relativ hohe Preis (100 Euro/cm²) des GaN-Substrats im Vergleich zu 4–6-Zoll-SiC und vernünftigen Kosten (10 Euro/cm²) die Kommerzialisierung und Großserienproduktion von GaN [20]. Neben der Erhöhung der Lieferanten ist Heteroepitaxie auf Fremdsubstraten (Si, Saphir, SiC) ein alternativer Weg zur Kostensenkung, doch die Herausforderung relativ hoher Fehlanpassung und Defekte muss bewältigt werden.

Zusätzlich zu den genannten bulk-Materialproblemen besteht die Herausforderung für die GaN-Diode darin, hochwertiges p-Typ-Material zu erreichen. Im Vergleich zu den relativ fortgeschrittenen Techniken für p-Typ-SiC durch Al-Ionenimplantation sind unreife p-Typ-Ionenimplantationstechnologie und niedrige Akzeptoraktivierung für p-Typ-GaN entscheidende Hindernisse, die die Struktur- und Fertigungsentwicklung GaN-basierter Bauelemente limitieren. Daher werden verschiedene Randbegrenzungsstrukturen vorgeschlagen, um die GaN-Diodenleistung zu verbessern und bilden einen zentralen Teil dieses Überblicks.

Vertikale GaN-basierte Bauelemente auf FS-Substrat

Bis vor 10 Jahren wurden die meisten GaN-Dioden, einschließlich SBDs und PNDs, auf Fremdsubstraten gefertigt, was laterale oder quasi-vertikale Bauelementstrukturen ergab, da kein bulk GaN-Substrat verfügbar war. Laterale oder quasi-vertikale Dioden zeigen hervorragende elektrische Eigenschaften, leiden jedoch unter inhärenten Nachteilen der Bauelementstruktur [21]. Erstens sind Fehlanpassung und Defekte unvermeidbar. Zweitens ist für GaN-Bauelemente auf Fremdsubstraten ein Puffer zwischen GaN-Driftlage und Fremdsubstrat essenziell. Die Spannungsrelaxation der Pufferlage verursacht Wafer-Verzug, der die Dicke der GaN-Epitaxielagen verringert [22]. Drittens hat der große thermische Grenzflächenwiderstand (GaN mit Substrat) ernsten Einfluss auf die Bauelementleistung bei hoher Leistungsdichte [23].

Dank der Entwicklung epitaktischer Techniken hat das freistehende GaN (FS-GaN) Substrat mit niedriger Versetzungsdichte für vertikale GaN-Bauelemente große Fortschritte gemacht. Die Materialqualität der homoepitaktischen GaN auf FS-GaN-Substrat zeigt offensichtliche Verbesserung und Potenzial für Leistungsanwendungen. Vertikale GaN-Bauelemente können Nachteile lateraler GaN-Pendants mildern. Erstens können dickere GaN-Epitaxielagen ohne Puffer gewachsen werden, und höhere BV (die lateralen GaN-Bauelemente übersteigen) können erzielt und durch die Driftschichtdicke bestimmt werden. Gleichzeitig liegt das maximale elektrische Feld im inneren Bauelementbereich und weit von der Bauelementoberfläche entfernt (Beseitigung des Elektroneneinfangeffekts, der generell in lateralen Bauelementen auftritt). Angesichts der hohen Qualität des FS-GaN-Substrats werden vertikale GaN-Bauelemente seit 2011 untersucht [24]. Seitdem wurden vertikale GaN-PNDs mit hoher BV und niedrigem Ein-Widerstand gefertigt und erzielen bemerkenswerte Leistung.

PND versus SBD

Für praktische Anwendungen sind Dioden essenzielle Komponenten für Leistungswandlung und -inversion [25]. Mit den distincten Materialeigenschaften von GaN zeigen GaN-basierte Dioden (SBDs und PNDs) bemerkenswerte Leistungen, die die Anforderungen von Leistungsanwendungen erfüllen sollen. Wie in Abb. 2 gezeigt, haben PNDs den größten Umfang unter GaN-Bauelementen mit variierten Strukturen und halten Spannungen von 600 bis 5000 V stand, was breitere Anwendungsszenarien anzeigt.

Überblick über Bauelementtypen, Berichte und Spannungsklassen der wichtigsten vertikalen GaN-Leistungsbauelemente der letzten Jahre [26]

Im Vergleich zu PNDs, die kein Minoritätsladungsträgerspeicherproblem und niedrigere SBD-Barrierehöhe haben, zeichnen sich GaN-SBDs durch niedrige Vorwärts-Einschaltspannung (V_on) und schnelle Rückwärtserholung aus – Merkmale, die Vorteile von SBDs in niedrigem Leit-/Schaltverlust und Hochfrequenzbetrieb zeigen, jedoch mit niedrigerem BV-Wert als PNDs; zudem kann hohe Einschaltspannung zu hohem Leitverlust führen und die Effizienz von Schaltungen und Systemen verschlechtern [27, 28].

Im Hochleistungsbereich haben quasi-vertikale oder vertikale SBDs exzellente Vorteile gegenüber AlGaN/GaN-SBDs [29]. Zudem wird eine niedrige Einschaltspannung (< 0,5 V) durch Anpassung der Barrierehöhe mit niedrigem-Arbeitsfunktions-Metall erreicht. Eine niedrige Barrierehöhe kann jedoch leicht zu hohem Rückwärtsleckstrom und niedrigerer BV führen. Daher werden verschiedene Randbegrenzungsstrukturen vorgeschlagen, um die Leistung zu verbessern. Durch verschiedene Randbegrenzungstechnologien [27, 28, 30, 31] wird hohe Stromdichte im kA/cm²-Bereich mit BVs über 1 kV bestätigt. Gleichzeitig zeigen vertikale SBDs große Fähigkeit für hohe Frequenz, wie 177–183 GHz und maximal 902 GHz Grenzfrequenz bei 0 V, was für Terahertz-Drahtloskommunikationssysteme erwartet wird [12, 32].

Hinsichtlich n-Typ-GaN wurde p-Typ-GaN, gewachsen durch Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) und Molekularstrahlepitaxie (MBE), durch Mg als Akzeptor eingeführt [33]. Im Vergleich zu GaN-SBDs haben GaN-PNDs viele Vorteile, wie niedrigen spezifischen Ein-Widerstand (R_onA) und ausreichende Bauelementstabilität und Fähigkeit, Stoßströme zu unterdrücken. Trotz hoher Einschaltspannung (> 3 V) und relativ niedriger Schaltgeschwindigkeit wird ein ultraniedriger Leckstrom aufgrund der höheren Barrierehöhe und hohe BV erzielt. Ein hoher BV von 0,6 bis 5 kV ist die herausragendste Leistung für GaN-basierte PNDs. Daher haben GaN-basierte PNDs großes Potenzial als wichtige Bausteine nächster Generation Leistungssysteme für Hochleistungsanwendungen, die hohe Effizienz und niedrigen Energieverlust erfordern [34]. Ähnlich wie bei vertikalen GaN-SBDs werden auch für GaN-PNDs Randbegrenzungen gefertigt, um elektrischen Feldaufstau um die Anode zu mildern – dies wird später detailliert beschrieben.

In Leistungsbauelementen kann der pn-Übergang auch als neuartige Übergangsstruktur betrachtet werden. Um gleichzeitig hohe BV mit niedrigem Rückwärtsleckstrom von PNDs, hohe Schaltleistung und niedrige Einschaltspannung von SBDs zu nutzen, erzeugen neuartige Bauelementstrukturen wie Junction Barrier Schottky (JBS) und Merged PN Schottky (MPS) eine Kombination aus SBD und PND durch Bildung von p-Typ-Gitterbereichen im Schottky-Kontaktbereich. JBS- oder MPS-Bauelemente besitzen Vorwärtsleitcharakteristiken von SBDs und Rückwärtssperrcharakteristiken von PNDs und werden bessere Schaltleistung und höhere Sperrspannung als konventionelle PNDs bzw. SBDs erwartet [35].

Neben Hochleistungsanwendungen werden GaN-PNDs auch für optoelektronische Bauelemente wie Leuchtdioden (LEDs), Photodetektoren und Flammensensoren eingesetzt, wegen der niedrigen Dunkelströme von wenigen pA in GaN-basierten pn-Übergangs-Photodioden [36, 37].

Ziel dieses Überblicks

Basierend auf den überlegenen Materialeigenschaften von GaN wurden GaN-basierte Bauelemente breit untersucht und in Leistungselektronikanwendungen als eines der heißesten Halbleitermaterialien genutzt. Unter GaN-basierten Bauelementen wurde die vertikale GaN-basierte PND intensiv erforscht und zeigt exzellente BFOM. Randbegrenzungstechniken sind ebenfalls essenziell, um elektrischen Feldaufstau um den Anodenpad zu mildern.

In diesem Überblick stehen Fortschritte in materialseitigem epitaktischem Wachstum und Randbegrenzungstechniken als Hauptschwerpunkte im Fokus, gefolgt von der Darstellung aktueller GaN-Entwicklungen, der Unterschiede zwischen GaN-SBDs und PNDs hinsichtlich Mechanismen und Eigenschaften sowie den Vorteilen vertikaler gegenüber lateralen Bauelementen. Dieser Überblick gibt einen Ausblick und enthüllt den Designtrend vertikaler GaN-PNDs für Leistungssysteme, einschließlich inchoater vertikaler GaN-PNDs. Die Entwicklung epitaktischen Wachstums entsprechend verschiedener Lagen in vertikalen GaN-PNDs wird in Abschnitt 2 eingeführt. Randbegrenzungstechnologien werden in Abschnitt 3 erforscht. In Abschnitt 4 werden vertikale GaN-PNDs auf Si-Substrat als alternative Methode demonstriert. Schließlich werden Schlussfolgerung und Ausblick auf die zukünftige Entwicklung vertikaler GaN-PNDs gegeben.

Materialepitaktisches Wachstum

GaN-Substrat vertikaler PNDs

Als mainstream epitaktischer Prozess werden vertikale Bauelementepitaxielagen derzeit hauptsächlich durch MOCVD auf leitfähigen GaN-Substraten gewachsen, die durch Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) hergestellt werden. In dieser Struktur beeinflusst die Substratqualität direkt die nachfolgende epitaktische Struktur. Viele Ausfallmechanismen im Bauelement stammen aus der Substratepitaxiequalität [38]. Ein hochwertiges leitfähiges GaN-Substrat muss erzielt werden, um Vorwärts- und Rückwärts-I-V-Leistungen, insbesondere Rückwärtsleckstrom und BV-Fähigkeit, weiter zu verbessern.

HVPE-gewachsene Substrate gelten als bequemste Methode für Massenproduktion aufgrund relativ niedriger Kosten und Reproduzierbarkeit. In frühen Stadien bedeutete unreife Wachstumstechnologie jedoch, dass HVPE-GaN-Substrate hohe Hintergrundladungsträgerkonzentration (> 10¹⁹ cm⁻³) und unzureichende Kristallqualität aufwiesen, weshalb HVPE nicht für Bauelementstrukturen genutzt wurde [39]. Durch rasante Entwicklung der Epitaxiewachstumstechnologie werden hochwertige bulk GaN-Materialien durch HVPE zunehmend möglich [40, 41]. Neben dem Substrat können nun auch partiell epitaktische Lagen im Bauelement durch HVPE gewachsen werden, was zu höherer Stromgleichmäßigkeit und Beseitigung von Makrostufen auf der GaN-Oberfläche führt, indem HVPE und MOCVD-Epitaxieprozess mit kohlenstofffreier Technologie kombiniert werden, im Vergleich zu rein MOCVD-gewachsenen Bauelementen [42].

Derzeit sind kommerzielle GaN-Substrate mit minimaler Versetzungsdichte unter 10⁴ cm⁻² verfügbar. Vertikale GaN-PNDs auf niedrig-defekten GaN-Substraten wurden verarbeitet. Wafer-Verzug bleibt jedoch ein Problem. Als vielversprechende Lösung kann die Ammonothermal-Methode ein GaN-Substrat mit besserer Epitaxiequalität erreichen. Mit Hochdruckautoklaven und überkritischem Ammoniak können Fadenversetzungen signifikant auf 10⁴–10⁵ cm⁻² reduziert werden [43]. Mit der Ammonothermal-Methode wurde ein niedriger Widerstand von 0,001 Ω·cm² im GaN-Substrat mit hochdotiertem n-Typ (1 × 10¹⁹–1 × 10²⁰ cm⁻³) sowie BV von 3 kV berichtet [44]. Der Nachteil der Ammonothermal-Methode ist die niedrige Wachstumsrate von ca. 80–90 µm/Tag, was für praktische Produktion nachteilig ist. Die Steigerung der Wachstumsrate bei Erhalt hoher Materialqualität ist auch eine profitable Richtung für spätere Forschung.

Zusätzlich zu kommerziellen GaN-Substraten wurden auch einige Substrate für besondere Leistungen untersucht, einschließlich nicht-Ga-Polarer (c-Ebene) Substrate. Generell wird ein Ga-polarer (c-Ebene) Substrat für vertikale GaN-Bauelemente eingesetzt. Die nachfolgenden epitaktischen Lagen zeigen dann einen drastischen Polarisierungseffekt. In entgegengesetzter Richtung zu den Ga-polaren Pendants demonstrieren homoepitaktische Lagen entlang der N-polaren Richtung einzigartige Bauelementeigenschaften aufgrund höherer Zersetzungstemperatur und polaritätsabhängiger Eigenschaften [45, 46]. Mit N-polarem Einkristall-FS-GaN-Substrat wurde ein elektrisches Feld von 2,2 MV/cm ohne Randbegrenzung sowie BV von 2,4 kV mit N₂O-Oberflächenplasmabehandlung und Feldplatte (FP) erreicht [46, 47]. Als weiteres spezielles GaN-Substrat zieht die m-Ebene aufgrund ihrer nichtpolaren Eigenschaft breite Aufmerksamkeit auf sich, da das Ga:N-Verhältnis 1:1 in der m-Ebene beträgt im Gegensatz zu nur Ga in c-polar und nur N in N-polar Substraten. Mit diesem nichtpolaren GaN-Substrat wurden PND-Eigenschaften mit kritischem elektrischen Feld von 2,0 MV/cm und hohem Ein/Aus-Verhältnis ohne FP oder Randbegrenzung berichtet [48].

N-GaN-Epitaktische Techniken

Vor Existenz hochwertiger leitfähiger GaN-Substrate wurden GaN-PNDs hauptsächlich auf Fremdsubstraten (Si, SiC, Saphir) gefertigt, sodass die Bauelementstruktur stets auf laterale beschränkt war. Eine Methode basierend auf lateraler Struktur wurde vorgeschlagen, um die epitaktische Qualität zu verbessern. Gegeben niedrige Fadenversetzungsdichte (TD) im Fensterbereich lateraler Bauelemente, kann die lateral über eine Maske gewachsene GaN-Epitaxielage eine viel niedrigere TD-Dichte erreichen. So wurde laterale epitaktische Überwachtung (LEO) durchgeführt, um die GaN-Epitaxielage auf Saphirsubstrat für laterale PNDs zu wachsen. Der Rückwärtsleckstrom wurde um drei Größenordnungen unterdrückt [49].

Mit der Entwicklung epitaktischer Technologie wurden hochwertige Einkristall-GaN-Substrate mit niedrigen Versetzungsdichten von 3 × 10^–6 cm⁻² verfügbar, und GaN-PNDs wurden auf GaN-Substraten gefertigt. Kombiniert mit oberen epitaktischen Lagen durch MOCVD-Wachstum zeigen die Bauelemente niedrigen Leckstrom und hohe BV von 600 V bis 4 kV entsprechend Driftschichtdicke von 6 bis 40 µm [16, 50]. Im Vergleich zum Bauelement auf Saphirsubstrat verbesserten sich Rückwärtsleckstrom und BV signifikant [51].

Mit nativem GaN-Substrat tritt normalerweise keine spezielle Pufferlage in der PND-Epitaxiestruktur auf wie bei Fremdsubstraten. Der Effekt der Pufferlage in der PND auf GaN-Substrat wurde als Referenz untersucht. Das Vorhandensein einer Pufferlage bedeutet, dass die Driftschicht niedrigere Defektdichte aufweist. Gleichzeitig kann eine höhere BV mit dünnerer Driftschicht, aber dickerer Pufferlage erzielt werden. Der Rückwärtsleckstrom des Bauelements wurde ebenfalls verbessert. Diese Bauelementparameter zeigen starke Abhängigkeit von der Pufferlagendicke, die nur geringen Einfluss auf die Vorwärtscharakteristiken hat [52].

Die oberen epitaktischen Lagen werden durch MOCVD, Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) und MBE abgeschieden, wie in diesem Abschnitt diskutiert. Die epitaktische Struktur von PNDs umfasst eine hochdotierte n⁺-GaN-Lage und eine Driftschicht aus n⁻-GaN zwischen Substrat und p-GaN (Abb. 3). Die hochdotierte n⁺-GaN-Lage fungiert in einigen Berichten als Übergangslage auf dem leitfähigen GaN-Substrat.

Schematische Struktur und Fertigungsprozess der vertikalen GaN-PND

Im Allgemeinen bestimmt die BV die Anwendungsszenarien von Bauelementen. Beispielsweise ermöglicht die höhere BV eines SiC-Bauelements gegenüber GaN die Nutzung in Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen (Abb. 1). Ähnlich werden PN-Dioden meist in höheren Spannungen gegenüber Schottky-Dioden und HEMTs eingesetzt. In PNDs wird die BV hauptsächlich von der Driftschicht (schwach dotierte n⁻-GaN-Lage) mit Ausweitung der Sperrzone getragen (wie in Gl. 1 mit angelegter Spannung V dargestellt, wobei V positiv/negativ für Vorwärts-/Rückwärtsspannung ist, wenn das Bauelement unter Rückwärtsspannung steht. Der Durchbruch tritt bei weiterer Erhöhung der Rückwärtsspannung auf.

W_D = √[2ε_s(V_bi - V)/q · (N_A + N_D)/(N_AN_D)] (1)

wobei S, q, V_bi, N_D und N_A die Übergangsfläche, Elementarladung, Einbaupotenzial, Donatorkonzentration und Akzeptorkonzentration sind [53].

Nach der Sperrzonenbreite können Bauelemente in Nicht-Durchschlag (W_D > W_Dm, W_Dm: maximale Sperrzonenbreite) und Durchschlag (W_D < W_Dm) eingeteilt werden. Angesichts der Epitaxiestruktur- und Randprobleme fallen die meisten vertikalen GaN-Bauelemente in den Durchschlag-Typ, d. h. ihre Sperrzonen dehnen sich über die gesamte n⁻-GaN-Lage hinaus und erreichen das n⁺-GaN-Substrat vor dem Durchbruch.

Zudem kann die BV gemäß Gl. (2) durch Erhöhung der Driftschichtdicke und Verringerung der n-Typ-Dotierungskonzentration der Driftschicht erhöht werden.

BV = E_Ct - qN_Dt²/(2ε₀ε_r) (2)

wobei E_C, q, t, N_D und ε_r das kritische elektrische Feld, die Elementarladung, die n⁻-GaN-Schichtdicke, die Netto-Ladungsträgerkonzentration der n⁻-GaN-Lage und die Halbleiterpermittivität sind [54]. Glücklicherweise zeigt die Erfahrung, dass eine Driftschicht mit größerer Dicke und niedrigerer Dotierung nur zu einem leichten Anstieg des Ein-Widerstands in Vorwärtsleitung beiträgt.

Im Vergleich zur BV-Erhöhung durch Verdickung der Driftschicht ist die Verringerung der n-Typ-Dotierungskonzentration in der n⁻-GaN-Lage derzeit schwierig, wegen hoher Hintergrundkonzentrationen einschließlich Si, O usw. Für weitere Dotierungsreduzierung in der n⁻-GaN-Lage wird die unabsichtliche Dotierungskonzentration untersucht. Viele Forschungsgruppen führten ein nominales i-GaN von ca. 10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³ ein, das p-GaN kontaktiert, um eine p-i-n-Struktur zur Verbesserung der BV von Dioden zu bilden [55].

Die Vorbedingung dieser Maßnahmen ist jedoch eine hohe epitaktische Qualität der Driftschicht, da Versetzungen den Aus-Zustands-Leckstrom erhöhen und die BV-Eigenschaften verschlechtern können [56].

Um die epitaktische Qualität der Driftschicht in vertikalen GaN-PNDs weiter zu verbessern, wurde Wachstum durch MBE auf GaN-Substrat untersucht. Ein Leckstrom von < 3 nA/cm² und elektrisches Feld von 3,1 MV/cm wurden durch sehr niedrige Versetzungsdichte erzielt. Die nahezu idealen Durchbruchsleistungen zeigen, dass MBE eine effektive Methode für das Wachsen epitaktischer Lagen in vertikalen GaN-PNDs ist [56]. Ähnlich wie beim ammonothermalen Wachstum ist die epitaktische Rate jedoch ein weiterer Nachteil.

P-GaN-Epitaxie

P-GaN, eine wichtige Komponente in vertikalen GaN-PNDs, wurde 1989 berichtet, seit dem Erscheinen von GaN durch HVPE 1969 [57, 58]. Es wurde erstmals für blaue LEDs genutzt. Dann wurde p-GaN allmählich im elektrischen Bauelementbereich eingesetzt, wie Normal-off-Bauelemente und PNDs. In vertikalen GaN-PNDs weist p-GaN leichte (ca. 10¹⁹ cm⁻³) und schwere (≥ 10²⁰ cm⁻³) Dotierungskonzentrationen auf, die der Bildung einer pn-Übergangslage mit der Driftschicht und der Erleichterung ohmscher Kontakte als Anodenelektrode entsprechen.

Generell wird epitaktisches Wachstum von p-GaN durch MOCVD bei ca. 1000 °C durchgeführt und nutzt Mg²⁺ als Akzeptor. Die gewachsene p-GaN-Lage muss bei hohen Temperaturen von 700–800 °C in N₂-Atmosphäre oder 400 °C in O₂-Atmosphäre aktiviert werden, um eine relativ hohe Lochkonzentration zu ermöglichen [59-61]. Die hohe Ionisierungsenergie von 150–200 meV der Mg-H-Bindung bedeutet jedoch eine p-GaN-Aktivierungsrate von nur 1–3 %. Eine niedrige Aktivierungsrate hängt auch mit der Temperatur zusammen. Mg-Dotierer können bei hohen Temperaturen (≥ 600 °C) in NH₃- oder Wasserstoffatmosphäre re-passiviert werden [62]. Um die Lochkonzentration zu verbessern, ist alleiniges Erhöhen der Dotierungskonzentration nicht machbar, da höhere Dotierung in p-GaN zu Verschlechterung der kristallinen Qualität der Lage und Reduzierung der Lochdichte durch Selbstkompensationseffekt führen kann [63]. Derzeit kann eine Spitzenlochdichte meist bei einer Akzeptorkonzentration von ca. 3 × 10¹⁹ cm⁻³ erreicht werden [64]. Obwohl es Probleme mit p-GaN gibt, sind zugehörige Untersuchungsberichte nicht zahlreich. Dies mag zwei Gründe haben: Beschränkungen der intrinsischen Materialeigenschaften und epitaktischen Ausrüstung, sowie dass das gegenwärtige p-GaN auch vergleichbare Bauelementleistung erzielen kann.

Dennoch werden Optimierung der Wachstumsbedingungen und neuartige epitaktische Prozesse weiter untersucht. Beispielsweise wurde 2017 nicht-aktiviertes nachgewachsenes p-GaN durch MBE vorgeschlagen, das Vorteile gegenüber MOCVD aufweist. Mit niedrigem Wasserstoff-Wachstumsumfeld wurden BV von 1,1 kV und Idealfaktor von 2,5 durch gefertigte vertikale GaN-PNDs erreicht [65]. Eine weitere interessante p-GaN-Fertigungsmethode ist Mg-Ionenimplantation mit Ultra-Hochdruck-Glühen (UHPA). Die Ergebnisse zeigen, dass eine hohe Aktivierungsrate von 70 % und Lochbeweglichkeit von 24,1 cm²V⁻¹s⁻¹ nach nach-Implantations-Glühen bei 1573–1753 K in N₂-Druck von 1 GPa erreicht wurden. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit Epitaxiewachstum durch MOCVD [66].

Zusammenfassend: Für das Substrat ist kommerzielles niedrig-defektes GaN-Substrat nun verfügbar. Gleichzeitig entwickelt sich die epitaktische Technologie weiter, was die Bauelementleistung stark beeinflusst. Im Vergleich zu MOCVD kann MBE exzellente epitaktische Qualität erzielen, was zu großer Bauelementleistung ohne Randbegrenzung führt. Die langsame Wachstumsrate und hohe Kosten machen MBE jedoch ungeeignet für Großserienproduktion. Epitaxiewachstum durch MOCVD bleibt die hauptsächliche produktive Methode in der Praxis. Daher ist die Verbesserung der Qualität epitaktischer Lagen durch MOCVD ein dringendes Thema, das considerable Zeit in Anspruch nehmen wird. Daher werden fortgeschrittene Bauelementstrukturdesigns oder Maßnahmen für große Leistung in diesem Stadium vorgeschlagen.

Randbegrenzungstechniken

Für vertikale GaN-PNDs ist BV ein wichtiger Parameter. Fast alle Untersuchungen an vertikalen GaN-PNDs zielen auf Verbesserung der Rückwärts-Spannungsfestigkeit (BV) ab. Aufgrund elektrischen Feldaufstaus an der Kante des pn-Übergangs, der Sperrzonenkante oder der Elektrodenkante tritt jedoch oft vorzeitiger Durchbruch auf. Daher werden fortgeschrittene Bauelementstrukturdesigns (Randbegrenzungstechniken) entwickelt, um den elektrischen Feldaufstau zu reduzieren. Verschiedene Randbegrenzungstechniken wurden nun angewendet, um den elektrischen Feldaufstau an der Kante von GaN-PNDs für höhere BV zu entspannen. Diese umfassen hauptsächlich Feldplatte (FP), Ionenimplantation und Plasmabehandlung, Mesa-Ätzung in variierten Winkeln oder Stufen und Guard Rings (GRs) [49, 67-69]. Diese werden in diesem Abschnitt diskutiert.

Metallische Feldplatten

Die FP wird in GaN-basierten Bauelementen breit genutzt, um das Spitzenfeld weit von der Kante des Gates, der Anode oder des Übergangs zu verlagern. Diese Methode hat identische Eigenschaft, die Intensität des elektrischen Feldes an der pn-Kante unter Rückwärtsspannung zu entspannen. Zudem können niedriger Leckstrom und hohe Durchbruchspannung unter Rückwärtsspannung durch FP-Begrenzung erreicht werden, die einen relativ einfachen Fertigungsprozess aufweist.

Die Vorteile der FP-Struktur umfassen einfachen Fertigungsprozess und Kompatibilität mit dem Bauelementprozess. Gleichzeitig ist die Dielektrikumschicht der FP auch die Passivierungsschicht des Bauelements. Als früheste und am weitesten verbreitete Randbegrenzung für vertikale GaN-PNDs wurde die nicht-erweiterte FP-Begrenzung zunächst verwendet (Abb. 4a). Zur Fertigung der FP-Struktur wurden Mesa-Strukturen durch induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) Trockenätzen verarbeitet. Um parasitäre Leckströme durch Plasmaschäden zu unterdrücken, wurde ein passivierender Dielektrikumfilm über die Anodenelektrode und die gesamte Mesa-Struktur abgeschieden [70].

PND-Strukturen mit a FP und erweiterter Passivierungsdielektrikumschicht und b erweiterter FP-Metallschicht und Passivierungsdielektrikumschicht [70, 71]

Um den elektrischen Feldaufstau am Rand der pn-Übergangskante weiter zu entspannen, wurde erweitertes FP-Metall genutzt, um die gesamte Mesa abzudecken, was Rückwärtsleckstrom reduziert und BV erhöht [71]. Diese optimierte FP-Struktur wird nun breit in vertikalen GaN-PND-Fertigungen eingesetzt. Wie in Abb. 4b gezeigt, wurde BV auf über 3 kV mit erweiterter FP-Struktur erhöht. Gleichzeitig wurde der Rückwärtsleckstrom auf sehr niedriges Niveau bei 3 kV Rückwärtsspannung unterdrückt.

Als essenzieller Bestandteil der FP-Struktur hat die Passivierungsschicht erheblichen Einfluss auf die Bauelementcharakteristiken. Daher ist eine geeignete Passivierungsschicht essenziell. Eine Passivierungsschicht mit hoher Permittivität (high-k) wurde durch Simulation vorgeschlagen, und gleichmäßiger Rückwärtsstromfluss kann ebenfalls erzielt werden [50]. Entsprechend dieser Theorie wurden vertikale GaN-PNDs mit FP-Begrenzung unter Verwendung von Ga₂O₃ (Dielektrizitätskonstante 10) als Passivierungsfilm berichtet. Die BV zeigte große Verbesserung von 200 auf 550 V, was enthüllt, dass ein high-k-Permittivitätsfilm wie Ga₂O₃ vielversprechend als Passivierungsfilm der FP-Begrenzung in vertikalen GaN-PNDs zur Steigerung der Bauelementcharakteristiken ist [72]. Allerdings entstehen einige Nachteile für FP-Begrenzung. Das Hauptproblem sind Defekte während der Dielektrikumabscheidung und an der Grenzfläche zwischen Dielektrikum und GaN, die Ladungsträgerfang verursachen. Dies führt zu Instabilität der Bauelementleistung bei Langzeitgebrauch. Daher muss der optimierte Abscheidungsprozess der Dielektrikumschicht untersucht werden.

Mesa-Begrenzung

Mesa-Ätzung ist ein unverzichtbarer Schritt zur Isolation benachbarter Bauelemente in der Fertigung planarer GaN-basierter Bauelemente. Angesichts des einfachen Prozesses ist diese Struktur beliebt für vertikale GaN-PND-Prozesse. Neben einem gleichmäßigen elektrischen Feld an der pn-Übergangskante können hohe BV mit nicht-destruktiven und Lawinen-Charakteristiken in PNDs erreicht werden. Beispielsweise kann eine einfache, aber tiefe Mesa-Struktur große Leistung erzielen. Wie in Abb. 5a gezeigt, wurde mit über 10 µm Tiefe der Mesa-Struktur in vertikalen PNDs nicht-destruktive BV und Lawinen-Charakteristik bestätigt [73].

a PNDs mit tief geätzter Mesa-Struktur; b PNDs mit zwei-stufiger Mesa [73, 74]

Neuartige Mesa-Strukturen werden untersucht (Abb. 5b). Eine Multi-Mesa- (Zwei-Mesa-) Struktur wurde in vertikalen PNDs eingesetzt. Im Vergleich zur üblichen Einzel-Mesa-Struktur kann die Zwei-Mesa-Struktur das Spitzenfeld von der pn-Übergangskante unter das verdünnte p-GaN in der oberen Mesa verlagern, wegen der totalen Entleerung der Löcher in der verdünnten p-GaN-Lage. Eine hohe BV von 4,7–4,8 kV mit nicht-destruktiver Eigenschaft wurde durch die Zwei-Mesa-Struktur erfolgreich erreicht. Lawinenfähigkeit wurde ohne Beeinträchtigung der Vorwärts-I-V-Charakteristiken erzielt [74]. Andererseits hat die Zwei-Mesa-Struktur identische Funktion für quasi-vertikale PINDs [75]. Die BV wurde von 665 auf 835 V bei gleichzeitig niedrigem Leckstrom erhöht.

Neben der üblichen senkrechten Mesa-Struktur wurde kürzlich eine Mesa-Struktur mit negativem Fasewinkel vorgeschlagen, um elektrischen Feldaufstau an der pn-Übergangskante zu mildern. Mit negativem Fasewinkel zeigt das elektrische Feld an der Kante einen abnehmenden Trend, wenn der Fasewinkel θ von 90° verringert wird. Das Spitzenfeld würde in das Bauelementinnere verlagert. In [76] zeigte experimentelle Untersuchung, dass fasierte Mesa-Struktur (Abb. 6a) höhere BV über 3 kV und niedrigen Leckstrom im Vergleich zu BV von 3 kV in PNDs mit steiler Mesa bei gleicher FP-Struktur induzieren konnte. Weitere Untersuchung wurde durch Simulation mit Technology Computer-Aided Design (TCAD) durchgeführt. In vertikalen GaN-PNDs mit fasierter Mesa (Abb. 6b) wurde das maximale elektrische Feld durch Akzeptorkonzentration N_A in p-GaN, Donatorkonzentration N_D in n⁻-GaN-Driftschicht und θ der fasierten Mesa bestimmt. Durch theoretische Analyse und Simulation konnte kleineres θ zu höherem E_pp (parallel-plane breakdown field) führen. Gleichzeitig ist leicht dotiertes p-GaN vorteilhaft für hohe BV bei festem θ der fasierten Mesa. Als Beispiel θ = 10° unterstützen experimentelle Ergebnisse diese Befunde. Ein parallel-plane breakdown field von 2,86 MV/cm wurde erreicht, und dieses Ergebnis stimmt mit der Simulation überein [77].

Schematischer Querschnitt der PND-Struktur mit a Fase-Mesa und FP-Struktur, b PND-Epitaxiestruktur simuliert durch Behandlung von N_A, N_D und θ als Variablen [76, 77]

Ähnlich wie bei FP-Begrenzung sind Trockenätzen und/oder Isolator (oder Passivierungsfilm) im Prozess der Randbegrenzung erforderlich. Daher muss der Schaden durch Trockenätzen berücksichtigt werden und kann hohen Rückwärtsleckstrom, sogar vorzeitigen Durchbruch verursachen. Gleichzeitig stellt es hohe Anforderungen an die Ätzgeräte bezüglich Ätzpräzision, und die Ätztiefe ist schwer zu kontrollieren. Gleichzeitig erzeugt das Vorhandensein von Schäden einen komplizierteren Grenzflächenzustand zwischen Isolator und geätztem Halbleiter, was die Bauelementzuverlässigkeit beeinflussen würde. Folglich ist die Reduzierung oder Linderung von Schäden ein unvermeidliches Thema. Nun wurden einige Rezepturen (z. B. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) und Nachglühen, die die Merkmale der Schadensentfernung durch Nassätzen bzw. Reparatur von Trockenätzschäden aufweisen) eingesetzt, um die geätzte Oberfläche zu behandeln und die Leistung zu verbessern.

Ionenbehandlung

Ionenimplantation wurde eingesetzt, um elektrische Feldkonzentration nahe der Kante zu lindern. Als relativ einfache Begrenzungsstruktur wurde implantationsbasierte Technik in GaN-Bauelementen untersucht, einschließlich kompensierender Spezies (z. B. O, H, Zn) oder inerter Spezies (z. B. Ar, N, He, Kr) zur Erzeugung tiefenergetischer Fallen in den Begrenzungsbereichen [78-82]. Kürzlich wird für die Milderung vorzeitigen Durchbruchs in vertikalen GaN-PNDs auch ionenimplantierte Begrenzung (z. B. N, F, Mg, H) genutzt. Die Mechanismen dieser ionenimplantierten Begrenzungen sind jedoch unterschiedlich.

Hinsichtlich vertikaler GaN-SBDs [83] offenbart N-Implantation in vertikalen GaN-PNDs einen anderen Mechanismus, der die Erzeugung donatorähnlicher Defekte (N-Vakanzen und N-Interstitialien) zur Kompensation der p-Typ-Dotierer beinhaltet. Nach Verarbeitung durch N-Implantation (Abb. 7a, b) kann die Leitfähigkeit von p-GaN durch N-Implantation reduziert oder eliminiert (isolierend) werden [53]. Zur weiteren BV-Verbesserung wurde eine nicht-vollständig kompensierte Lage vorgeschlagen, d. h. eine vollständig kompensierte Lage gekoppelt mit einer teilweise kompensierten Gegenstück in p-GaN. Dadurch wurde höhere BV erwartet, und der Mechanismus wurde durch Simulation analysiert [84]. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass N-Implantation mit teilweise kompensiertem p⁺-GaN BV von 1,68 kV induzieren konnte, ohne die Vorwärtscharakteristiken zu beeinträchtigen [85].

a Querschnittsplot der PNDs mit N-Implantationsbegrenzung, und b N-Implantationsbegrenzung mit vollständig und teilweise kompensiert [53, 84]

Die Wasserstoff-Plasma (H-Plasma) Randbegrenzung kann ebenfalls die p-GaN-Leitfähigkeit reduzieren, aber mit einem anderen Mechanismus. H-Plasma-Behandlung ist eine effektive Passivierungsmethode, um leitfähiges p-GaN in ein hochohmiges zu transformieren, wegen der starken Mg-H-Bindung in p-GaN. Im Gegensatz zur N-Implantation ist H-Plasma-Behandlung aufgrund geringen Schadens, niedriger Temperatur und einfacherer Handhabung besser für vertikale GaN-PNDs geeignet. Wie in Abb. 8a gezeigt, wiesen PNDs ein elektrisches Feld von 3,0 MV/cm mit alleiniger H-Plasma-Behandlung auf. Gleichzeitig zeigten die Bauelemente vergleichbare Vorwärts-I-V-Charakteristiken und niedrigeren Rückwärtsleckstrom [86].

a Schematische Ansicht der PND-Struktur durch Mg-Ionenbehandlung; b PNDs mit H₂-Plasma-Behandlung [86, 88]

Gleichzeitig hat Fluor (F)-Ion die Fähigkeit, das Spitzenfeld aufgrund negativer Festladungen bei Rückwärtsspannung zu modulieren. Wenn jedoch F-implantierte Randbegrenzung in vertikalen GaN-PINDs durchgeführt wird, sind strenges Design und strukturelle Optimierung erforderlich [87].

Zusätzlich zu N-, H- und F-Ionenimplantation als Randbegrenzungen ist Mg-Ionenimplantation eine alternative Methode, um den durch ICP-Trockenätzschaden entstehenden Oberflächen/Grenzflächenzustand umzuwandeln. Eine neuartige Mg-Ionenimplantation gekoppelt mit Graben-Mesa wurde kürzlich eingesetzt, um den donatorähnlichen Schaden für vertikale GaN-PNDs zu kompensieren (Abb. 8b). Dann wurde BV von 1,5 kV mit spezifischem Ein-Widerstand R_on von 0,7 mΩ·cm² erreicht [88].

Ionenimplantationsbegrenzung ist eine effektive Methode für hohe BV in vertikalen GaN-PNDs. Der Ionenimplantationsprozess ist auch relativ einfach. Allerdings tritt Kristallschaden während hochenergetischer Ionenimplantation auf. Zudem ist in einigen Ionenimplantationsbegrenzungen Nachglühen bei hoher Temperatur erforderlich, um Kristallschaden zu lindern. Ein rechteckiges Ionenimplantationsprofil wird angestrebt, sodass die Implantationstiefe exakt kontrolliert werden muss. Schließlich ist, obwohl der Ionenimplantationsprozess einfach ist, die benötigte Ausrüstung aufgrund hochenergetischer Ionen kostenintensiv.

Guard Rings

Der Einsatz schwebender Guard Rings (GR) als Randbegrenzung zur BV-Verbesserung ist eine effektive Methode für vertikale GaN-PNDs, bei der die Rückwärtsspannung einen Spannungsabfall über den GR erfährt, um elektrischen Feldaufstau zu entspannen. Gleichzeitig erfordert der GR-Fertigungsprozess keinen spezialisierten Schritt, der synchron mit der Anodenmetallabscheidung erfolgt. Für höhere BV wurde ein GR in der FP-Struktur in den PNDs gefertigt (Abb. 9a), in der Polyimid zwischen GR und Anodenbereich als resistives Element für weiteren Spannungsabfall gesetzt wurde. Aufgrund des Widerstandsanteils wurde ein inkrementelles BV von 0,2–0,4 kV bis maximal 5,0 kV erzielt. Im Vergleich zu normalen PNDs ohne GR-Struktur wies das Bauelement mit resistivem GR ähnliche Vorwärts-I-V-Charakteristiken mit R_on von 1,25 mΩ·cm² auf, aber niedrigeren Rückwärtsleckstrom mit BFOM von 20 GW/cm² [69].

a Vertikale GaN-PND-Struktur mit schwebender GR-Begrenzung; b PND-Struktur mit H-implantierten GRs [69, 90]

Neben schwebenden GRs wurde auch H-Plasma-basierte GR-Struktur angewendet, um die Randbegrenzung zu bilden. Neben geringem Schaden könnte die niedrige Diffusivität von H-Plasma zu relativ idealem Profil in GaN führen [89]. Aufgrund des Passivierungseffekts von H-Plasma auf p-GaN wird leitfähiges p-GaN hochohmig, und die GR-Struktur wurde anschließend durch den hochohmigen p-GaN-Ring gebildet (Abb. 9b). Schmale GR-Breite von 1–2 µm und abnehmender Abstand wurden zur BV-Verbesserung verwendet. GR-Strukturen mit variierten Ringen wurden gemessen. PNDs mit variierten Ringen zeigten ähnliche Vorwärtscharakteristiken mit ca. 0,65 mΩ·cm² und Idealfaktor 1,65 im Vergleich zu denen ohne GR. Mehr GRs konnten das elektrische Feld an der Bauelementkante weiter entspannen. Daher zeigten die Bauelemente höhere BV durch Erhöhung der Ringanzahl nach Messung. Folglich zeigten PNDs BV von 1,7 kV mit höchstem elektrischen Feld von 3,43 MV/cm bei 10 GRs [90].

Der Nachteil von GR ist seine niedrige Flächenausnutzung, und die GR-Struktur erfordert generell große Fläche, die sogar größer als die Anode ist. Dann erhöht die Anzahl der GRs die Designschwierigkeit wie Breite und Abstand der GRs. Derzeit werden zwei und mehr Arten von Randbegrenzungen in einzelnen vertikalen GaN-PNDs für höhere BV kombiniert. Diese umfassen typischerweise FP, Fase-Mesa und Guard Rings aufgrund relativ einfacher Fertigung. Andererseits führen diese Randbegrenzungen nicht zur Einführung fremder Elemente in den GaN-Kristall im Gegensatz zur Ionenbehandlung, was für die Bauelementleistung vorteilhaft ist. Allerdings nimmt die Qualität der epitaktischen Lagen immer noch einen beträchtlichen Anteil ein.

Vertikale GaN-PNDs auf Si-Substrat

Bislang zeigen vertikale GaN-on-GaN-Bauelemente exzellente Leistung, doch hohe Kosten und kleiner Durchmesser der GaN-Substrate behindern weiterhin ihre großflächigen Marktanwendungen. Angesichts der Vorteile großflächiger und kostengünstiger Si-Substrate haben GaN-on-Si-Bauelemente in diesem Stadium erhebliche Aufmerksamkeit erfahren.

Für quasi-vertikale PNDs auf Si-Substrat ist hochwertiger Puffer essenziell. In [91] wurde durch Optimierung der AlN-Nukleationslage und des nachfolgenden Wachstumsprozesses eine GaN-Driftschicht mit niedriger Fadenversetzungsdichte von 2,95 × 10⁸ cm⁻² und hoher Elektronenbeweglichkeit von 720 cm²/Vs erzielt. Mit FP-Struktur hat das Bauelement BV von 820 V bei R_on von 0,33 mΩ·cm².

a Quasi-vertikale PINDs mit FP; b vollvertikale PNDs durch dünnen AlN und SLS-Superlatticestruktur auf leitfähigem Si-Substrat; c PNDs mit Graben-Ohmkontakt auf der Rückseite; d PNDs gefertigt durch Layer-Transfer-Technologie [91-94]

Zusätzlich zur Materialfehlanpassung sind leitfähige Pufferlage und Si-Substrat fundamental für vollvertikale PNDs auf Si-Substrat. In Abb. 10b wurde erstmals n⁺-typ Si-Substrat als Kathode vertikaler PNDs genutzt. Anschließend wurden Si-dotierte dünne AlN-Lage und GaN/AlN-verspannte Superlatticelage zur Bauelementleistungsförderung eingesetzt [92]. Vertikale PNDs auf Si-Substrat werden mit FP vorgeschlagen, und BV von 288 V wird mit 1,5 µm Driftschicht bestätigt. Zudem wird höhere BV von 720 V in PNDs auf Si mit 5,7 µm Driftschicht in Abb. 10c berichtet [93]. Im Gegensatz zur leitfähigen Si-Substrat-Methode wurde der Kathoden-Ohmkontakt auf der Rückseite durch einen Graben realisiert, der die n⁺-GaN-Lage durch selektive Entfernung des regulären Si-Substrats und Pufferlagens erreicht.

Neben leitfähigem Si-Substrat und Graben-Ohmkontakt auf der Rückseite ist Substratentfernungstechnologie eine alternative Methode zur Herstellung vertikaler GaN-PNDs auf Si-Substraten. In Abb. 10d wird Layer-Transfer-Technologie verwendet, um vertikale PINDs auf Si-Substrat zu verarbeiten. Nach Si-Substratentfernung, Transfer, n-Elektrode und Seitenwandpassivierung weisen die Bauelemente niedrigen R_on von 3,3 mΩ·cm² und BV von 350 V auf [94]. Der hohe BFOM-Wert von 37,0 MV/cm² in PINDs demonstriert, dass Substratentfernungstechnologie ein effektiver Weg für GaN-basierte PIND-Fertigung auf Si-Substraten ist. Relativ zu anderen Technologien sind jedoch der komplexere Fertigungsprozess und höhere Produktionskosten Probleme, die während des Substratentfernungsteils adressiert werden müssen.

Als alternative technische Route werden PNDs auf Si-Substraten mit quasi-vertikalen oder vertikalen Bauelementstrukturen gefertigt. Um die substantialle Materialfehlanpassung zwischen Si-Substrat und GaN-Epitaxiestapeln zu mildern, muss effektivere Epitaxietechnologie untersucht werden. Für höhere BV ist dickere Driftschicht auch essenziell. Dies stellt ein weiteres Schlüsseltema dar, da die Driftschichtdicke auf Si-Substrat ca. 5 µm beträgt.

Zukünftige Herausforderungen und Schlussfolgerung

Vertikale PNDs sind essenziell, um gleichzeitig hohen Strom (> 100 A) mit hohen Spannungen (> 600 V) zu erhalten, was Anforderungen mehrerer Anwendungen einschließlich Elektrofahrzeuge und Recycling-Energieverarbeitung erfüllen kann. Trotz großer Fortschritte bleiben Anwendungen vertikaler GaN-PNDs mehreren Barrieren wie Kosten und technischen Limitierungen ausgesetzt.

Für FS-GaN-Substrat wurde hohe epitaktische Qualität mit niedriger Fadenversetzung durch gängiges MOCVD erreicht. Die kleine Größe und hohe Kosten des FS-GaN-Substrats begrenzen die Anwendungen vertikaler GaN-PNDs auf einen engen Bereich, und die kleine Größe erhöht auch den GaN-Preis. Kommerzielle GaN-Substrate sind nur 2-Zoll und viel kleiner als 4–6-Zoll-SiC und 8–12-Zoll-Si-Substrate. Die primäre Herausforderung für vertikale GaN-PNDs ist die Erreichung hoher epitaktischer Qualität, insbesondere hohe Qualität der p-GaN-Lage mit hoher Lochkonzentration. Kürzlich wurden neuartige PNDs durch Ersetzen von p-GaN mit NiO_x, synthetisiert durch thermische Oxidation oder Sputtern, vorgeschlagen; große Leistung wird auch als Ersatz für p-GaN in vertikalen PNDs und Guard Ring in GaN-SBDs demonstriert [95-98].

Vertikale GaN-PNDs, als eines der vielversprechendsten Leistungsbauelemente, werden in dieser Studie überblickt und zusammengefasst. Die jüngsten Fortschritte bei vertikalen GaN-PNDs, einschließlich Vergleich verschiedener Materialien (SiC vs. GaN) und Bauelementstrukturen (SBD vs. PND), materialseitiges epitaktisches Wachstum und Randbegrenzungstechniken (FP, Mesa, ionenimplantierte und GR-Randbegrenzungen), werden diskutiert. Die Werte von R_on versus BV durch verschiedene Technologien sind in Abb. 11 dargestellt. Neben epitaktischen Technologien spielen Randbegrenzungstechnologien eine Schlüsselrolle für vertikale GaN-PNDs, um in diesem Stadium hohe Bauelementleistung zu erreichen. Trotz großer Fortschritte in Bauelementleistung bleiben die Vorteile vertikaler GaN-PNDs unterausgeschöpft. Die Charakteristiken vertikaler GaN-PNDs könnten durch Optimierung der Bauelementstruktur und epitaktischen Qualität in nachfolgenden Studien gefördert werden. Dann werden kommerzialisierte vertikale GaN-PNDs mit ausgereifter Randbegrenzung und epitaktischen Techniken bald verfügbar sein.

Benchmarking von R_on versus BV von quasi- oder vollvertikalen GaN-PNDs

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die im aktuellen Studium verwendeten oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage beim korrespondierenden Autor verfügbar.

Abkürzungen

GaN:

Galliumnitrid

SiC:

Siliziumkarbid

PND:

PN-Übergangsdiode

PIND:

P-i-N-Übergangsdiode

SBD:

Schottky-Barrierediode

IGBT:

Isoliert-Gate-Bipolar-Transistoren

BJT:

Bipolar-Transistor

MOSFET:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

BFOM:

Baliga's Figure of Merit

HFET:

Heterostruktur-Feldeffekttransistor

JFET:

Junction-Feldeffekttransistor

2DEG:

Zweidimensionales Elektronengas

BV:

Durchbruchspannung

FS:

Freistehend

MOCVD:

Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung

MBE:

Molekularstrahlepitaxie

JBS:

Junction Barrier Schottky

MPS:

Merged PN Schottky

LED:

Leuchtdiode

HVPE:

Hydrid-Gasphasenepitaxie

FP:

Feldplatte

TD:

Fadenversetzung

MOVPE:

Metallorganische Gasphasenepitaxie

HEMT:

High Electron Mobility Transistor

UHPA:

Ultra-Hochdruck-Glühen

GR:

Guard Ring

ICP:

Induktiv gekoppeltes Plasma

TCAD:

Technology Computer-Aided Design

TMAH:

Tetramethylammoniumhydroxid