Tinjauan Kemajuan Terbaru pada Dioda PN Berbasis GaN Vertikal
Abstrak
Sebagai bahan semikonduktor celah pita lebar yang representatif, galium nitrida (GaN) telah menarik perhatian yang meningkat karena sifat materialnya yang unggul (misalnya, mobilitas elektron yang tinggi, kecepatan saturasi elektron yang tinggi, dan medan listrik yang kritis). Perangkat GaN vertikal telah diselidiki, dianggap sebagai salah satu kandidat paling menjanjikan untuk aplikasi elektronika daya, dan dicirikan oleh kapasitas tegangan tinggi, arus tinggi, dan tegangan tembus tinggi. Di antara perangkat tersebut, PN junction diode (PND) berbasis GaN vertikal telah banyak diselidiki dan menunjukkan kemajuan kinerja yang luar biasa berdasarkan kualitas epitaksi yang tinggi dan desain struktur perangkat. Namun, kualitas epitaksi perangkatnya membutuhkan peningkatan lebih lanjut. Dalam hal kinerja listrik perangkat, efek crowding medan listrik di tepi perangkat merupakan masalah mendesak, yang mengakibatkan kerusakan dini dan membatasi keunggulan pelepasan material GaN, tetapi saat ini dikurangi dengan penghentian tepi. Tinjauan ini menekankan kemajuan dalam pertumbuhan epitaxial material dan teknik terminal tepi, diikuti oleh eksplorasi perkembangan GaN saat ini dan keuntungan potensial atas karbon silikon (SiC) untuk bahan dan perangkat, perbedaan antara dioda penghalang GaN Schottky (SBD) dan PND sebagai mempertimbangkan mekanisme dan fitur, dan keuntungan dari perangkat vertikal atas rekan-rekan lateral mereka. Kemudian, tinjauan memberikan pandangan dan mengungkapkan tren desain GaN PND vertikal yang digunakan untuk sistem tenaga, termasuk dengan GaN PND vertikal inchoate.
Pengantar
Konsumsi energi global meningkat jauh lebih cepat daripada beberapa dekade terakhir karena pertumbuhan pesat dalam industri dan ekonomi. Oleh karena itu, diperlukan teknologi hemat energi yang canggih untuk mengatasi masalah peningkatan konsumsi energi.
Perangkat berbasis silikon saat ini merupakan jenis yang dominan di antara perangkat listrik [1]. Di antara perangkat daya ini, struktur transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBTs) memainkan peran penting dan menampilkan tren yang berkembang menuju penggantian transistor sambungan bipolar daya (BJT) dan transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) sejak penemuan IGBT pada tahun 1982 [2]. Saat ini, IGBT merupakan elemen penting dari medan elektronika daya untuk konversi dan transmisi [3]. Namun, perangkat listrik berbasis silikon telah mencapai batas material dasarnya hingga saat ini dan digunakan secara luas dalam aplikasi energi listrik.
Mengingat sifatnya yang luar biasa, GaN adalah salah satu bahan semikonduktor celah pita lebar (termasuk SiC, GaN, Ga2 O3 dan intan) yang mampu membuat perangkat daya dengan kapasitansi dan resistansi rendah untuk tegangan tembus yang ditentukan sehubungan dengan perangkat berbasis Si. Dengan demikian, perangkat berbasis GaN dengan konsumsi energi rendah, kepadatan daya tinggi, dan efisiensi konversi tinggi untuk sistem elektronik daya diharapkan.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, GaN memiliki figure of merit (BFOM) Baliga yang jauh lebih tinggi daripada SiC (yang telah dikomersialkan), sebuah fitur yang dianggap berasal dari kecepatan saturasi elektron yang lebih tinggi dan medan listrik kritis yang lebih tinggi. Namun, SiC memiliki konduktivitas termal yang lebih baik. Selain itu, GaN memiliki mobilitas pembawa yang lebih tinggi µ dan konduktivitas termal yang lebih tinggi, dan mencapai keduanya p - dan n -jenis doping dibandingkan dengan Ga2 O3 . Sementara itu, untuk semikonduktor celah pita lebar pamungkas, berlian, kemajuan besar harus dicapai untuk mencapai tahap praktis. Sampai saat ini, perangkat berbasis GaN, misalnya, perangkat tiga terminal (Transistor efek medan heterostruktur (HFET) dan MOSFET) dan perangkat dua terminal (SBD dan PND) telah menjadi topik penelitian utama, dan kemajuan besar telah dicapai dalam penelitian mereka. aplikasi dalam perbaikan daya dan konversi daya.
GaN versus SiC
Dari sifat material yang melekat, GaN memiliki keunggulan sedikit lebih unggul dibandingkan SiC, termasuk celah pita energi yang lebih luas, medan listrik kritis yang lebih tinggi, kecepatan saturasi elektron yang lebih tinggi, dan BFOM 3-4x lebih baik untuk perangkat daya [6]. Dengan demikian, mengingat fitur-fiturnya yang luar biasa, perangkat berbasis GaN harus mengungguli perangkat berbasis SiC. Dalam aplikasi praktis, perangkat berbasis GaN vertikal sangat penting untuk kepadatan daya yang tinggi dan frekuensi pengoperasian yang tinggi (Gbr. 1) karena sifat materialnya yang sangat baik.
Aplikasi potensial transistor pengalih daya GaN dan SiC [7]
Sebagai semikonduktor celah lebar yang paling matang, perangkat SiC telah mencapai kemajuan luar biasa dalam dekade terakhir dan menunjukkan kinerja yang menjanjikan dalam hal tegangan tinggi, resistansi spesifik rendah, dan kecepatan switching yang cepat [8]. Mengingat dasar penelitian yang mendalam sejak tahun 1980 dan tersedia substrat SiC yang lebih besar dengan cacat rendah (< 10
4
cm
−2
), SBD SiC dan transistor efek medan junction (JFET) adalah perangkat berbasis SiC komersial pertama sejak 2001. Perangkat daya berbasis SiC lainnya termasuk MOSFET dan BJT berhasil dikembangkan di bidang aplikasi tegangan dan daya tinggi dan telah menunjukkan hasil yang mengesankan. kinerja [9].
Dibandingkan dengan SiC, perangkat GaN berkembang sangat lambat. Kualitas bahan yang tidak memuaskan menghalangi realisasi beberapa sifat unggul secara teoritis. Mengingat kurangnya substrat GaN, sebagian besar studi tentang perangkat GaN terutama didasarkan pada struktur lateral (misalnya, heterostruktur AlGaN/GaN) pada tahap ini. Dengan mobilitas elektron yang lebih tinggi yaitu 2000 cm
2
/V s (gas elektron dua dimensi (2DEG) dalam AlGaN/GaN), 1000 cm
2
/V s (GaN massal) dan kecepatan saturasi yang lebih tinggi sebesar 2,5 × 10
7
cm/s relatif terhadap rekan-rekan SiC, perangkat AlGaN/GaN lebih disukai untuk aplikasi frekuensi tinggi dan memiliki watt daya rendah sehubungan dengan perangkat SiC [10]. Pada bidang frekuensi tinggi, SBD AlGaN/GaN mencapai kinerja transportasi listrik yang sangat baik dan lebih cocok untuk aplikasi gelombang mikro dan milimeter pada tingkat watt [11, 12]. SBD AlGaN/GaN adalah perangkat representatif untuk SBD GaN. Mobilitas 2DEG yang tinggi berarti bahwa SBD AlGaN/GaN menunjukkan keunggulan kinerja yang sangat besar pada aplikasi frekuensi tinggi dibandingkan dengan SBD vertikal dan juga mempertahankan voltase penyalaan yang rendah. Baru-baru ini, SBD AlGaN/GaN menjadi dasar untuk rangkaian penyearah 5,8 GHz dengan daya input 6,4 W dan tegangan penyalaan 0,38 V dengan tegangan tembus (BV ) dari 3000 V [13, 14]. Frekuensi cutoff maksimum mendekati 1 THz pada 0 V dengan jarak anoda-ke-katoda 70 nm [15].
Untuk perangkat listrik berbasis GaN, substrat GaN (bulk GaN) sangat ideal untuk pertumbuhan epitaksi, yang dapat memanfaatkan teknologi homo-epitaksi untuk menghilangkan ketidakcocokan. Kepadatan dislokasi yang rendah dari GaN massal sangat penting untuk substrat epitaxial karena kepadatan dislokasi yang tinggi dapat mempengaruhi karakteristik kinerja seperti BV , arus bocor balik, volume produksi, dan keandalan [16]. Perkembangan perangkat berbasis GaN vertikal telah didorong oleh kemajuan substrat GaN dalam beberapa tahun terakhir. Namun, mengingat teknologi yang relatif belum matang untuk trioda vertikal, dioda GaN vertikal telah menjadi topik penelitian hangat pada tahap awal ini. Dibandingkan dengan SBD AlGaN/GaN, SBD GaN vertikal memiliki keunggulan serupa di bidang frekuensi seperti kecepatan switching yang tinggi dengan waktu pemulihan balik yang rendah dan kehilangan konduksi yang rendah; namun, yang terakhir memiliki kerapatan arus yang besar dan jalur kebocoran yang lebih sedikit daripada yang pertama [17, 18].
Beberapa masalah telah muncul untuk substrat GaN. Pertama, substrat GaN saat ini tersedia dengan kepadatan dislokasi 10
4
–10
6
cm
−2
, tetapi densitas dislokasi ini masih jauh lebih tinggi dibandingkan dengan substrat Si dan SiC [19]. Kedua, sehubungan dengan ukuran wafer 4–6 inci dan biaya yang wajar (10 euro/cm
2
) dari SiC, ukuran 2-3 inci dan biaya yang relatif tinggi (100 euro/cm
2
) dari substrat GaN menghambat komersialisasi dan produktivitas GaN dalam skala besar [20]. Selain meningkatkan pemasok pemasok, heteroepitaxy pada substrat asing (Si, sapphire, atau SiC) adalah cara alternatif untuk mengurangi biaya substrat GaN, tetapi tantangan ketidakcocokan dan cacat yang relatif tinggi harus diatasi.
Selain masalah yang disebutkan di atas dalam material curah, tantangan dioda GaN adalah untuk mencapai kualitas p yang tinggi. -jenis bahan Sehubungan dengan teknik yang relatif maju untuk membentuk p -tipe SiC dengan implantasi ion Al, belum matang p -teknologi implantasi ion tipe dan aktivasi akseptor rendah untuk p -jenis GaN adalah penghalang vital, yang membatasi pengembangan struktur dan fabrikasi perangkat berbasis GaN. Dengan demikian, berbagai jenis struktur terminasi tepi diusulkan untuk meningkatkan kinerja dioda GaN dan merupakan bagian penting dari tinjauan ini.
Perangkat Berbasis GaN Vertikal pada Substrat FS
Hingga 10 tahun yang lalu, sebagian besar dioda GaN, termasuk SBD dan PND, dibuat pada substrat asing yang membentuk struktur perangkat lateral atau kuasi-vertikal karena tidak tersedianya substrat GaN massal. Dioda lateral atau kuasi-vertikal menunjukkan karakteristik listrik yang luar biasa, tetapi mereka masih memiliki kekurangan yang melekat pada struktur perangkat [21]. Pertama, ketidaksesuaian dan cacat tidak dapat dihindari. Kemudian, untuk perangkat GaN pada substrat asing, buffer sangat penting antara lapisan drift GaN dan substrat asing. Dengan demikian, relaksasi tegangan pada lapisan buffer akan menyebabkan wafer bowing, yang akan menurunkan ketebalan lapisan epitaksi GaN [22]. Selain itu, resistansi batas termal yang besar (GaN dengan substrat) memiliki pengaruh serius pada kinerja perangkat untuk perangkat GaN yang bekerja pada kepadatan daya tinggi [23].
Menurut perkembangan teknik epitaksi, substrat GaN (FS-GaN) berdiri bebas dengan kerapatan dislokasi rendah yang diadopsi untuk perangkat GaN vertikal telah membuat kemajuan besar. Kualitas material GaN homoepitaxial pada substrat FS-GaN memiliki peningkatan yang jelas dan menunjukkan potensi aplikasi daya. Perangkat GaN vertikal dapat mengurangi kelemahan rekan GaN lateral. Pertama, lapisan epitaxial GaN yang lebih tebal dapat ditumbuhkan tanpa buffer apapun, dan BV . yang lebih tinggi (yang melebihi perangkat GaN lateral) dapat diperoleh dan ditentukan oleh ketebalan lapisan drift. Sedangkan medan listrik maksimum terletak di bagian dalam perangkat dan jauh dari permukaan perangkat (menghilangkan efek perangkap elektron yang umumnya terjadi pada perangkat lateral). Mengingat kualitas substrat FS-GaN yang tinggi, perangkat GaN vertikal telah dipelajari sejak 2011 [24]. Sejak itu, PND GaN vertikal dengan BV tinggi dan resistansi dalam keadaan rendah telah dibuat dan mencapai kinerja yang luar biasa.
PND versus SBD
Untuk aplikasi praktis, dioda merupakan komponen penting untuk konversi daya dan inversi [25]. Dengan sifat material GaN yang berbeda, dioda berbasis GaN (SBD dan PND) menunjukkan kinerja yang luar biasa, yang diharapkan dapat memenuhi persyaratan aplikasi daya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, PND memiliki cakupan terbesar di antara perangkat GaN dengan struktur yang bervariasi dan tahan terhadap tegangan dari 600 hingga 5000 V, sebuah fitur yang menunjukkan skenario aplikasi yang lebih luas.
Ikhtisar jenis perangkat, laporan, dan kelas tegangan perangkat daya GaN vertikal utama yang dilaporkan dalam beberapa tahun terakhir [26]
Dibandingkan dengan PND, yang tidak memiliki masalah penyimpanan pembawa minoritas dan ketinggian penghalang SBD yang lebih rendah, SBD GaN memiliki voltase pengaktifan maju yang rendah (Vpada ) dan pemulihan balik yang cepat, dan karakteristik ini menunjukkan bahwa keunggulan SBD terungkap pada rugi-rugi konduksi/switching yang rendah, operasi frekuensi tinggi, tetapi BV yang lebih rendah nilai dari PND; selain itu, perhatikan bahwa tegangan penyalaan yang tinggi dapat menyebabkan kerugian konduksi yang tinggi dan menurunkan efisiensi sirkuit dan sistem [27, 28].
Pada medan daya tinggi, SBD kuasi-vertikal atau vertikal memiliki keunggulan yang sangat baik dibandingkan SBD AlGaN/GaN [29]. Selain itu, tegangan penyalaan rendah (< 0,5 V) dicapai dengan menyesuaikan ketinggian penghalang dengan logam fungsi kerja rendah. Namun, ketinggian penghalang yang rendah dapat dengan mudah menyebabkan arus bocor balik yang tinggi dan menurunkan BV . Akibatnya, struktur terminasi tepi bervariasi diusulkan untuk meningkatkan kinerja. Melalui bantuan berbagai teknologi terminasi tepi [27, 28, 30, 31], kerapatan arus yang tinggi pada KA/cm
2
nilai dengan BV s lebih dari 1 kV dikonfirmasi. Sementara itu, SBD vertikal juga menunjukkan kemampuan luar biasa untuk frekuensi tinggi, seperti 177–183 GHz dan frekuensi cutoff maksimum 902 GHz pada 0 V, fitur yang diharapkan untuk sumber daya dalam sistem komunikasi nirkabel terahertz [12, 32].
Sehubungan dengan n -ketik GaN, p -jenis GaN ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia metalorganik (MOCVD) dan epitaksi berkas molekul (MBE) diperkenalkan dengan menggunakan Mg sebagai akseptor [33]. Dibandingkan dengan GaN SBD, GaN PND memiliki banyak keunggulan, seperti resistansi spesifik yang rendah (RpadaA ) dan stabilitas perangkat yang memadai dan kemampuan untuk menghambat arus surja. Meskipun voltase penyalaan tinggi (> 3 V) dan kecepatan switching yang relatif rendah, arus bocor sangat rendah karena tinggi penghalang yang lebih tinggi dan BV yang tinggi diperoleh. Perhatikan bahwa BV high yang tinggi dari 0,6 hingga 5 kV adalah performa paling luar biasa untuk PND berbasis GaN. Dengan demikian, PND berbasis GaN memiliki potensi besar sebagai blok bangunan penting dari sistem tenaga generasi berikutnya untuk aplikasi daya tinggi, yang membutuhkan efisiensi tinggi dan kehilangan energi yang rendah [34]. Mirip dengan GaN SBD vertikal, pemutusan tepi untuk GaN PND juga dibuat untuk mengurangi medan listrik yang berkerumun di sekitar anoda, fitur yang akan dijelaskan secara rinci nanti di artikel ini.
Dalam perangkat daya, sambungan PN juga dapat diperlakukan sebagai struktur sambungan baru. Untuk memanfaatkan BV high yang tinggi dengan arus bocor balik PND yang rendah, kinerja switching yang tinggi, dan tegangan penyalaan SBD yang rendah pada saat yang bersamaan, struktur perangkat baru termasuk penghalang persimpangan Schottky (JBS) dan PN Schottky (MPS) yang digabungkan menghasilkan kombinasi SBD dan PND oleh pembentukan p -ketik wilayah kisi di wilayah kontak Schottky. Perangkat JBS atau MPS memiliki karakteristik konduksi maju SBD dan pemblokiran balik PND dan diharapkan memiliki kinerja switching yang lebih baik dan tegangan balik yang lebih tinggi daripada PND konvensional dan SBD, masing-masing [35].
Selain aplikasi daya tinggi, PND GaN juga diadopsi untuk perangkat optoelektronik seperti dioda pemancar cahaya (LED), fotodetektor, dan untuk penginderaan api karena arus gelap rendah beberapa pA di fotodioda PN junction berbasis GaN [36 , 37].
Tujuan Tinjauan Ini
Atas dasar sifat material unggul GaN, perangkat berbasis GaN telah diselidiki secara luas dan digunakan dalam aplikasi elektronika daya sebagai salah satu bahan semikonduktor terpanas. Di antara perangkat berbasis GaN, PND vertikal berbasis GaN telah banyak dieksplorasi dan menunjukkan BFOM yang sangat baik. Teknik terminal tepi juga penting untuk mengurangi medan listrik yang berkerumun di sekitar bantalan anoda.
Dalam ulasan ini, kemajuan dalam pertumbuhan epitaksi material dan teknik terminal tepi sebagai penekanan utama diikuti dengan menggambarkan perkembangan GaN saat ini, perbedaan antara SBD GaN dan PND dalam hal mekanisme dan fitur, dan keunggulan perangkat vertikal dibandingkan perangkat lateral. . Tinjauan ini memberikan pandangan dan mengungkapkan tren desain PND GaN vertikal yang digunakan untuk sistem tenaga, termasuk PND GaN vertikal inchoate. Perkembangan pertumbuhan epitaxial yang sesuai dengan lapisan berbeda di GaN PND vertikal diperkenalkan di Sect. 2. Teknologi terminal tepi dieksplorasi di Sect. 3. Dalam Sek. 4, PND GaN vertikal pada substrat Si ditunjukkan sebagai metode alternatif. Akhirnya, kesimpulan dan prospek pengembangan GaN PND vertikal di masa depan disediakan.
Pertumbuhan Epitaksi Material
Substrat GaN dari PND Vertikal
Sebagai proses epitaxial utama, lapisan epitaxial perangkat vertikal saat ini terutama ditanam oleh MOCVD pada substrat GaN konduktif yang dibuat oleh epitaksi fase uap hidrida (HVPE). Dalam struktur ini, kualitas substrat secara langsung mempengaruhi struktur epitaxial berikut. Banyak mekanisme kegagalan pada perangkat yang berasal dari kualitas epitaksi substrat [38]. Substrat GaN konduktif berkualitas tinggi harus diperoleh untuk lebih meningkatkan maju dan mundur I –V pertunjukan, terutama arus bocor terbalik dan BV kemampuan.
Substrat yang ditanam dengan HVPE telah dianggap sebagai metode yang paling nyaman untuk produksi massal karena biaya dan reproduktifitasnya yang relatif rendah. Namun, pada tahap awal, teknologi immature growth menyebabkan substrat GaN yang ditumbuhkan oleh HVPE memiliki konsentrasi pembawa latar belakang yang tinggi (> 10
19
cm
−3
) dan kualitas kristal yang tidak memuaskan. Oleh karena itu, HVPE tidak diadopsi untuk menumbuhkan struktur perangkat [39]. Dengan perkembangan pesat teknologi pertumbuhan epitaksi, material GaN massal berkualitas tinggi oleh HVPE menjadi mungkin secara bertahap [40, 41]. Selain substrat, lapisan epitaxial sebagian pada perangkat sekarang dapat ditumbuhkan oleh HVPE dan dapat menghasilkan keseragaman arus yang lebih tinggi dan penghapusan langkah makro pada permukaan GaN dengan menggabungkan proses epitaxial HVPE dan MOCVD dengan teknologi bebas karbon dibandingkan perangkat yang ditumbuhkan hanya oleh MOCVD [42].
Saat ini, substrat GaN komersial dengan kepadatan dislokasi minimum kurang dari 10
4
cm
−2
tersedia. PND vertikal GaN pada substrat GaN densitas cacat rendah diproses. Namun, wafer membungkuk tetap menjadi masalah. Sebagai solusi yang menjanjikan, metode amonothermal dapat menghasilkan substrat GaN dengan kualitas epitaksi yang lebih baik. Dengan autoklaf bertekanan tinggi dan amonia superkritis, dislokasi ulir dapat dikurangi secara signifikan hingga 10
4
–10
5
cm
−2
[43]. Menggunakan metode amonothermal, resistansi rendah 0,001 Ω cm
2
dalam substrat GaN dengan n . yang sangat didoping -type (1 × 10
19
–1 × 10
20
cm
−3
) dilaporkan serta BV dari 3 kV [44]. Namun, kelemahan metode amonothermal adalah tingkat pertumbuhan yang rendah sekitar 80–90 m/hari, suatu fitur yang merugikan untuk produksi praktis. Meningkatkan tingkat pertumbuhan dan mempertahankan kualitas bahan yang tinggi juga merupakan arah yang menguntungkan untuk penelitian selanjutnya.
Selain substrat GaN komersial, beberapa substrat juga diselidiki untuk kinerja yang berbeda, termasuk bidang non-Ga (c -bidang) substrat. Umumnya, sebuah Ga-polar (yaitu, c -plane) substrat digunakan untuk perangkat vertikal GaN. Kemudian, lapisan epitaksi berikut menunjukkan efek polarisasi yang drastis. Namun, dalam arah yang berlawanan dari rekan-rekan Ga-polar, lapisan homoepitaxial di sepanjang N arah -polar menunjukkan sifat perangkat yang unik karena suhu dekomposisi yang lebih tinggi dan sifat yang bergantung pada polaritas [45, 46]. Dengan N -substrat FS-GaN kristal tunggal, medan listrik 2,2 MV/cm tanpa penghentian tepi apa pun tercapai, serta BV dari 2,4 kV dengan N2 O pengobatan plasma permukaan dan pelat lapangan (FP) [46, 47]. Sebagai substrat GaN khusus lainnya, m -pesawat juga menarik perhatian luas mengingat sifat nonpolarnya di mana Ga:N adalah 1:1 di m -pesawat sehubungan dengan hanya Ga di c -kutub dan hanya N di N -substrat polar Dengan substrat GaN nonpolar ini, karakteristik PND dilaporkan dengan medan listrik kritis 2,0 MV/cm dan rasio hidup/mati yang tinggi tanpa FP atau penghentian tepi [48].
Teknik Epitaksial N-GaN
Sebelum adanya substrat GaN konduktif berkualitas tinggi, PND GaN terutama dibuat pada substrat asing termasuk Si, SiC, dan safir. Oleh karena itu, struktur perangkat selalu terbatas pada yang lateral. Sebuah metode berdasarkan struktur lateral diusulkan untuk meningkatkan kualitas epitaxial. Mengingat dislokasi ulir rendah (TD) pada wilayah jendela di perangkat lateral, lapisan epitaksial GaN yang tumbuh secara lateral melintasi topeng dapat mencapai kerapatan TD yang jauh lebih rendah. Dengan demikian, pertumbuhan berlebih epitaxial lateral dilakukan untuk menumbuhkan lapisan epitaxial GaN pada substrat safir untuk PND lateral. Arus bocor terbalik ditekan oleh tiga kali lipat [49].
Dengan perkembangan teknologi epitaxial, substrat GaN kristal tunggal berkualitas tinggi dengan kerapatan dislokasi rendah 3 × 10
–6
cm
−2
menjadi tersedia, dan PND GaN dibuat pada substrat GaN. Dikombinasikan dengan lapisan epitaxial atas oleh MOCVD yang ditumbuhkan, perangkat menunjukkan arus bocor yang rendah dan BV yang tinggi 600 V hingga 4 kV sesuai dengan ketebalan drift dari 6 hingga 40 μm [16, 50]. Sehubungan dengan perangkat pada substrat safir, arus bocor balik dan BV meningkat secara signifikan [51].
Dengan substrat GaN asli, tidak ada lapisan penyangga khusus yang biasanya terjadi pada struktur epitaksial PND seperti pada substrat asing. Pengaruh lapisan penyangga di PND pada substrat GaN diselidiki sebagai referensi. Adanya lapisan penyangga berarti lapisan hanyut memiliki kerapatan cacat yang lebih rendah. Sementara itu, BV . yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan lapisan drift yang lebih tipis tetapi lapisan buffer yang lebih tebal. Arus bocor terbalik perangkat juga ditingkatkan. Parameter perangkat ini menunjukkan hubungan yang kuat dengan ketebalan lapisan penyangga, yang memiliki sedikit efek pada karakteristik maju perangkat [52].
Lapisan epitaksial atas diendapkan oleh MOCVD, epitaksi fase uap organik logam (MOVPE), dan MBE, seperti yang dibahas dalam bagian ini. Struktur epitaksial PND mencakup n . yang sangat didoping
+
-Lapisan GaN dan lapisan melayang n
−
-GaN antara substrat dan p -GaN (Gbr. 3). n . yang sangat didoping
+
-Lapisan GaN bertindak sebagai lapisan transisi pada substrat GaN konduktif dalam beberapa laporan.
Struktur skema dan proses fabrikasi PND vertikal GaN
Secara umum, BV menentukan skenario aplikasi perangkat. Misalnya, BV . yang lebih tinggi untuk perangkat SiC yang dibandingkan dengan GaN memungkinkan perangkat SiC digunakan dalam aplikasi berdaya tinggi dan bertegangan tinggi seperti kendaraan listrik dan kereta peluru (Gbr. 1). Demikian pula, dioda PN biasanya diterapkan pada tegangan yang lebih tinggi sehubungan dengan dioda Schottky dan HEMT. Dalam PND, BV sebagian besar dilakukan oleh lapisan drift (didoping ringan n
−
-Lapisan GaN) dengan perluasan daerah penipisan (seperti yang ditunjukkan pada Persamaan 1 dengan tegangan yang diberikan V untuk itu V positif/negatif untuk bias maju/mundur ketika perangkat berada di bawah bias mundur. Selain itu, kerusakan terjadi dengan peningkatan bias balik lebih lanjut.
dimana S , q , Vdua , TD , dan TA masing-masing adalah luas persimpangan, muatan elektronik, potensial bawaan, konsentrasi donor, dan konsentrasi akseptor [53].
Menurut lebar penipisan, perangkat dapat dibagi menjadi nonpunch-through [WD> ADm (ADm :lebar lapisan penipisan maksimum)] dan punch-through (WD < ADm ). Mengingat masalah struktur dan tepi epitaksi, sebagian besar perangkat vertikal GaN termasuk dalam tipe punch-through, yaitu, daerah penipisannya meluas melampaui seluruh n−
-GaN lapisan dan mencapai n
+
-GaN substrat sebelum rusak.
Selain itu, seperti yang dijelaskan dalam Persamaan. (2), BV dapat ditingkatkan dengan meningkatkan ketebalan dan mengurangi n -jenis konsentrasi doping dari lapisan drift.
dimana EC , q , t , TD , dan εr adalah medan listrik kritis, muatan elektron, n−
-Ketebalan lapisan -GaN, konsentrasi pembawa bersih n−
-GaN lapisan, dan permitivitas semikonduktor, masing-masing [54]. Untungnya, pengalaman menunjukkan bahwa lapisan drift dengan ketebalan yang lebih tebal dan doping yang lebih rendah hanya berkontribusi pada sedikit peningkatan resistensi on-state dalam konduksi maju.
Dibandingkan dengan meningkatkan BV dengan meningkatkan ketebalan lapisan drift, mengurangi n -jenis konsentrasi doping di n−
Lapisan -GaN saat ini sulit, karena konsentrasi latar belakang yang tinggi termasuk Si, O dan sebagainya. Untuk penurunan lebih lanjut dalam konsentrasi doping di n−
-GaN lapisan, konsentrasi doping yang tidak disengaja diselidiki. Banyak kelompok riset memperkenalkan perkiraan i-GaN nominal 10
15
–10
16
cm− 3
menghubungi p -GaN untuk membentuk p –i –n struktur untuk meningkatkan BV dioda [55].
Tentu saja, prasyarat dari langkah-langkah ini adalah kualitas epitaxial yang tinggi dari lapisan drift karena TD dapat meningkatkan kebocoran off-state dan menurunkan BV properti [56].
Untuk lebih meningkatkan kualitas epitaxial lapisan drift di PND vertikal GaN, pertumbuhan oleh MBE diselidiki pada substrat GaN. Arus bocor kurang dari 3 nA/cm
2
dan medan listrik 3,1 MV/cm diperoleh dengan kerapatan dislokasi yang sangat rendah. Performa breakdown yang hampir ideal menunjukkan bahwa MBE adalah metode yang efektif untuk menumbuhkan lapisan epitaxial di PND vertikal GaN [56]. Namun, mirip dengan pertumbuhan amonothermal, tingkat epitaxial adalah kelemahan lainnya.
P-GaN Epitaksi
P-GaN, komponen penting dalam PND vertikal GaN, dilaporkan pada tahun 1989 sejak kemunculan GaN oleh HVPE pada tahun 1969 [57, 58]. Ini pertama kali digunakan untuk mendapatkan LED biru. Kemudian, p -GaN secara bertahap digunakan di bidang perangkat listrik seperti perangkat yang biasanya mati dan PND. Dalam PND GaN vertikal, p -GaN merupakan cahaya (sekitar 10
19
cm
−3
) dan berat (≥ 10
20
cm
−3
) konsentrasi doping, yang sesuai dengan pembentukan lapisan sambungan PN dengan lapisan drift dan memfasilitasi kontak ohmik sebagai elektroda anoda.
Umumnya, pertumbuhan epitaxial dari p -GaN dibuat oleh MOCVD pada suhu sekitar 1000 °C dan mengadopsi Mg
2+
sebagai akseptor. Kemudian, p . yang sudah dewasa -Lapisan GaN harus diaktifkan pada suhu tinggi 700–800 °C di N2 ambient atau 400 °C dalam O2 ambient, sehingga memfasilitasi konsentrasi lubang yang relatif tinggi [59,60,61]. Namun, energi ionisasi tinggi 150–200 meV ikatan Mg-H berarti p Tingkat aktivasi -GaN hanya 1-3%. Tingkat aktivasi yang rendah juga terkait dengan suhu. Dopan Mg dapat dipasifkan kembali pada suhu tinggi 600 °C dalam NH3 atau hidrogen ambient [62]. Untuk meningkatkan konsentrasi lubang, hanya menaikkan konsentrasi doping tidak layak karena konsentrasi doping yang lebih tinggi di p -GaN dapat menyebabkan penurunan kualitas kristal dari lapisan dan mengurangi kepadatan lubang melalui efek kompensasi sendiri [63]. Saat ini, puncak kerapatan lubang biasanya dapat dicapai pada konsentrasi akseptor sekitar 3 × 10
19
cm
−3
[64]. Meskipun menjadi beberapa masalah untuk p -GaN, laporan investigasi terkait tidak banyak. Ini dapat dianggap berasal dari dua alasan. Salah satunya adalah keterbatasan sifat intrinsik material dan peralatan epitaksi. Lainnya adalah bahwa p . saat ini -GaN juga dapat memperoleh kinerja perangkat komparatif.
Namun, optimasi kondisi pertumbuhan dan proses epitaksial baru masih diselidiki. Misalnya, pada tahun 2017, p . yang tidak diaktifkan kembali tumbuh -GaN oleh MBE diusulkan dan memiliki keunggulan dibandingkan MOCVD. Dengan lingkungan pertumbuhan hidrogen yang rendah, BV dari 1,1 kV dan faktor idealitas 2,5 dicapai oleh PND GaN vertikal fabrikasi [65]. p interesting menarik lainnya Metode fabrikasi -GaN adalah implantasi ion Mg dengan proses ultra-high-pressure annealing (UHPA). Hasilnya menunjukkan bahwa rasio aktivasi yang tinggi sebesar 70% dan mobilitas lubang sebesar 24,1 cm
2
V
−1
s
−1
dicapai dengan anil pasca-implantasi pada suhu 1573–1753 K di N2 tekanan 1 GPa. Hasil ini sebanding dengan pertumbuhan epitaksi oleh MOCVD [66].
Kesimpulannya, untuk substrat, substrat GaN cacat rendah komersial sekarang tersedia. Sementara itu, teknologi epitaxial masih berkembang, situasi yang sangat mempengaruhi kinerja perangkat. Dibandingkan dengan MOCVD, MBE dapat mencapai kualitas epitaksial yang sangat baik, sehingga menghasilkan kinerja perangkat yang hebat tanpa penghentian tepi. Namun, tingkat pertumbuhannya yang lambat dan biayanya yang tinggi membuat MBE tidak cocok untuk produktivitas skala besar. Pertumbuhan epitaksi oleh MOCVD masih merupakan metode produktif utama dalam praktiknya. Dengan demikian, peningkatan kualitas lapisan epitaxial yang ditumbuhkan oleh MOCVD merupakan masalah yang mendesak, yang akan memakan waktu yang cukup lama. Oleh karena itu, desain atau ukuran struktur perangkat lanjutan diusulkan untuk kinerja yang luar biasa pada tahap ini.
Teknik Pemutusan Tepi
Untuk PND GaN vertikal, BV is an important parameter. Almost all investigations on vertical GaN PNDs are centered on improving the withstanding voltage at reverse (i.e., BV ). However, due to the electric field crowding at the edge of PN junction, the depletion layer edge, or the electrode edge, premature breakdown often occurs. Therefore, to reduce the electric field crowding of the device, advanced device structure designs (i.e., edge termination techniques) are developed. Varied edge termination techniques have now been adopted to relax the electric field crowding at the edge of GaN PNDs for a higher BV . These techniques include mainly the field plate (FP), ion implantation and plasma treatment, and mesa etching in varied angle or steps and guard rings (GRs) [49, 67,68,69]. These features are discussed in this section.
Metal Field Plates
The FP has been widely utilized in GaN-based devices for transferring the peak electric field far from the edge of the gate, anode, or junction. This method has an identical feature to relax the intensity of the electric field at the PN edge under reverse bias. Moreover, the low leakage current and high breakdown voltage under reverse voltage can be achieved by using FP termination, which has a relatively simple fabricating process as well.
The merits of the FP structure include a simple fabrication process and compatibility with the device process. Simultaneously, the dielectric layer of FP is also the passivation layer of the device. As the earliest and most widely used edge termination for vertical GaN PNDs, the non-extended FP termination was initially used, as shown in Fig. 4a. For fabricating the FP structure, mesa structures were processed by inductively coupled plasma (ICP) dry etching. Then, to suppress the parasitic leakage currents from plasma damage, a passivation dielectric film was deposited all over the anode electrode and the entire mesa structure [70].
PNDs’ structures with a FP and extended passivation dielectric layer and b extended FP metal and passivation dielectric layer [70, 71]
To furtherly relax the electric field crowding at the periphery of the PN junction edge, the extended metal of the FP was utilized to cover the entire mesa to reduce the reverse leakage current and raise the BV [71]. This optimized FP structure is now widely employed in vertical GaN PNDs fabrications. As shown in Fig. 4b, the BV was raised over 3 kV with an extended FP structure. Meanwhile, the reverse leakage current was also suppressed to a quite low level at revere voltage of 3 kV.
As an essential component of the FP structure, the passivation layer has a considerable impact on the device characteristics. Thus, an appropriated passivation layer is essential. A passivation layer owned high-k permittivity is proposed by simulation, and uniform reverse current flow can be also obtained [50]. According to this theory, vertical GaN PNDs with FP termination using Ga2 O3 (the dielectric permittivity of 10) as passivation film were reported. The BV had a large improvement from 200 to 550 V, thereby revealing that a high-k permittivity film such as Ga2 O3 is promising as a passivation film of FP termination in vertical GaN PNDs for raising device characteristics [72]. However, some demerits arise for FP termination. The main issue is the defect during the dielectric layer deposition and interface between the dielectric and GaN, which result in carrier trapping. These would lead to the instability of device performance during long-term use. Therefore, the optimized deposition process of the dielectric layer must be investigated.
Mesa Termination
Mesa etching is an indispensable step to isolate adjacent devices in the fabrication of planar GaN-based devices. Given the simple process, this structure is popular for vertical GaN PND processes. Aside from a uniform electric field at the edge of PN junction, a high BV with nondestructive and avalanche characteristics can be achieved in PNDs. For instance, a simple but deep mesa structure can obtain great performance. As shown in Fig. 5a, with more than 10 µm depth of mesa structure in vertical PNDs, nondestructive BV and avalanche characteristics were confirmed [73].
a PNDs with deeply etched mesa structure; b PNDs with two-step mesa [73, 74]
The novel mesa structures are investigated as shown in Fig. 5b. A multi-mesa (two-mesa) structure was adopted in vertical PNDs. With respect to the common single mesa structure, the two-mesa structure can shift the peak electric field from the edge of the PN junction to underneath the thinned p -GaN in the upper mesa because of the total depletion of holes in the thinned p -GaN layer. A high BV of 4.7–4.8 kV with nondestructive feature was successfully achieved by the two-mesa structure. Avalanche capability was obtained without lowering the forward I –V characteristics [74]. On the other hand, the two-mesa structure has the identical function for quasi-vertical PINDs [75]. The BV was enhanced from 665 to 835 V with the low leakage current simultaneously.
Besides the common perpendicular mesa structure, a mesa structure with negative bevel was recently proposed to mitigate the electric field crowding at edge of the PN junction. With the negative bevel mesa, the electric field at the edge has a decreasing trend when the bevel angle θ is lowered from 90˚. The peak electric field would be transferred into device inner. In [76], experimental investigation showed that beveled mesa structure (Fig. 6a) could induce a higher BV over 3 kV and a low leakage current with respect to BV of 3 kV in PNDs with steep mesa when using the same FP structure. Further investigation was performed by simulation using technology computer-aided design (TCAD). In vertical GaN PNDs with beveled mesa (Fig. 6b), the maximum electric field was determined by the acceptor concentration NA in p -GaN, donor concentration ND in n
−
-GaN drift layer, and θ of the beveled mesa. By theoretical analysis and simulation, the smaller θ could lead to higher Epp (parallel-plane breakdown field). At the same time, a lightly doped p -GaN is beneficial for achieving high BV for a fixed θ of the beveled mesa. Taking θ = 10° as an example, the experimental results support these findings. A parallel-plane breakdown field of 2.86 MV/cm was achieved, and this outcome is consistent with the simulation [77].
Schematic cross of PND structure with a bevel mesa and FP structure, b PND epitaxial structure is simulated by treating NA , TD dan θ as variable [76, 77]
Similar with FP termination, the dry etching and/or insulator (or passivation film) is required in process of edge termination. Thus, the damage from dry etching must be considered and can cause a high reverse leakage current, even the premature breakdown. At the same time, it is a high demand to etched equipment for etched precision, and the etched depth is difficult to control. Meanwhile, the existence of damage generates a more complicated interface state between the insulator and the etched semiconductor, a situation that would affect device reliability. Consequently, reducing or alleviating damage is an inevitable issue. Now, some recipes (e.g., tetramethylammonium hydroxide (TMAH) and post-annealing that have the features of removing the damage by wet etching and repairing dry etching damage, respectively) have been adopted to treat etched surface to improve performance.
Ion Treatment
Ion implantation was employed to alleviate the electric field concentration near the edge. As a relatively simple termination structure, an implantation-based technique was investigated in GaN devices, which includes the compensating species (e.g., O, H, and Zn) or inert species (e.g., Ar, N, He, and Kr) to create deep-level traps in the termination regions [78,79,80,81,82]. Recently, for moderating the occurring of premature breakdown in vertical GaN PNDs, the ion implanted termination (e.g., N, F, Mg, and H) is also utilized. However, the mechanisms of these ion implanted terminations are different.
With respect to vertical GaN SBDs [83], N implantation in vertical GaN PNDs reveals a different mechanism, which entails creating the donor-like defects (N vacancy and N interstitial) to compensate for the p -type dopants. After processing by N implantation as shown in Fig. 7a and b, the conductivity of p -GaN can be reduced or eliminated (insulating) by N implantation [53]. To further improve the BV , a non-fully compensated layer was proposed, that is, a fully compensated layer coupled with a partially compensated counterpart in p -GaN. Thus, a higher BV was expected, and the mechanism was analyzed by simulation [84]. The experimental results show that N implantation with partially compensated p
+
-GaN could induce a BV of 1.68 kV without compromising the forward characteristics [85].
a Cross-sectional plot of the PNDs with N implantation termination, and bT implantation termination with fully and partially compensated [53, 84]
The hydrogen-plasma (H-plasma) edge termination can also reduce p -GaN conductivity, but with another mechanism. H-plasma treatment is an effective passivation method to transform the conductive p -GaN into a highly resistive one because of the strong bond of Mg-H in p -GaN. In contrast to N implantation, the H-plasma treatment is more appropriate for use in vertical GaN PNDs because of the low damage, low temperature, and simple operation involved. As shown in Fig. 8a, the PNDs exhibited an electric field of 3.0 MV/cm with just the H-plasma treatment. Simultaneously, the devices showed comparable forward I –V characteristics and a lower reverse leakage current [86].
a Schematic view of PND structure by Mg ion treatment; b PNDs with H2 plasma treatment [86, 88]
At the same time, fluorine (F) ion also has the capability of modulating the peak electric field due to the negative fixed charges when the device is under a reverse bias. Nevertheless, if the F implanted edge termination is carried out in vertical GaN PINDs, strict design and structural optimization are needed [87].
In addition to the N, H, and F ion implantation as edge terminations, Mg ion implantation is also an alternative method to convert the surface/interface state, which originates from the damage of ICP dry etching. A novel Mg ion implantation coupled with moat mesa was recently adopted to compensate for the donor-like damage for GaN vertical PNDs (Fig. 8b). Then, a BV of 1.5 kV was achieved with a specific on-state Rpada of 0.7 mΩ cm
2
[88].
Ion implantation termination is an effective method for a high BV in vertical GaN PNDs. The ion implantation process is also relatively simple. However, crystal damage occurs during high-energy ion implantation. Moreover, post-annealing at high temperature is required in some of the ion implantation terminations for alleviating the crystal damage. The rectangle-shaped ion implantation profile is pursued, so the implantation depth must be controlled exactly. Finally, although the ion implantation process is simple, the equipment needed is costly due to usage of high energy ion.
Guard Rings
The use of floating guard rings (GR) as edge termination to improve BV is an effective method for vertical GaN PNDs, for which the reverse voltage has a voltage drop over the GR to relax the electric field crowding. At the same time, the GR fabrication process does not require a specialized step, which is synchronous with anode metal deposition. For a higher BV , a GR in the FP structure was fabricated in the PNDs (Fig. 9a), in which polyimide was set between the GR and anode portion as resistive device for a further voltage drop. Due to the resistance portion, an incremental 0.2–0.4 kV of BV to a maximum of 5.0 kV was obtained. Compared with normal PNDs without a GR structure, the device with a resistive GR exhibited a similar forward I –V characteristics with Rpada of 1.25 mΩ cm
2
, but a lower reverse leakage current with BFOM of 20 GW/cm
2
[69].
a Vertical GaN PNDs structure with floating GR termination; b PNDs structure with H-implanted GRs [69, 90]
Besides the floating GR, the H-plasma-based GR structure was also applied to form the edge termination. In addition to low damage, the low diffusivity of H-plasma could result in relatively ideal profile in GaN [89]. Owing to passivation effect of the H-plasma on p -GaN, the conductive p -GaN becomes highly resistive, and the GR structure was subsequently formed by the highly resistive p -GaN ring (Fig. 9b). The narrow GR width of 1–2 µm and decreasing spacing were used to improve the BV. GR structures with varied rings were measured. The PNDs with varied rings have similar forward characteristics with around 0.65 mΩ cm
2
and an ideality factor of 1.65 compared with those without GR. More GRs could further relax the electric field at the device edge. Thus, the devices exhibited a higher BV by increasing the number of rings after measurement. Consequently, the PNDs showed a BV of 1.7 kV with the highest electric field of 3.43 MV/cm 10 GRs [90].
The disadvantage of GR is its low area utilization rate, and the GR structure generally requires a large area, which is even bigger than anode. Then, the amount of GR raises the design difficulty such as the width and spacing of the GR. At present, two and more kinds of edge termination are adopted in single vertical GaN PNDs for a higher BV . These edge terminations typically include the FP, bevel mesa, and guard rings due to the relatively simple fabrications. On the other hand, these edge terminations are not meant to introduce the foreign element into the GaN crystal with respect to ion treatment, a feature that is beneficial for device performance. However, the quality of epitaxial layers still occupies a considerable proportion.
Vertical GaN PNDs on Si Substrate
To date, although vertical GaN-on-GaN devices exhibit excellent performance, the high cost and small diameter of GaN substrates still impede their large-scale market applications. Consider to the merit of a large scale and low cost of Si substrate, GaN-on-Si devices have attracted considerable many attentions at this stage.
For the quasi-vertical PND on Si substrate, high-quality buffer is essential. In [91], as shown in Fig. 10a, optimizing the AlN nucleation layer and the succeeding growth process, a GaN drift layer with a low threading dislocation density of 2.95 × 10
8
cm
−2
and high electron mobility of 720 cm
2
/Vs diperoleh. With the FP structure, the device has a BV of 820 V with Rpada of 0.33 mΩ cm
2
.
a Quasi-vertical PINDs with FP; b fully vertical PNDs by using the thin AlN and SLS superlattice structure on conductive Si substrate; c PNDs with trenched ohmic contact on back; d PNDs fabricated by layer transfer technology [91,92,93,94]
In addition to the challenge of materials mismatch, the conductive buffer layer and Si substrate are fundamental for fully vertical PNDs on Si substrate. In Fig. 10b, a n
+
-type Si substrate was first utilized as the cathode of vertical PNDs. Subsequently, the Si-doped thin AlN layer and GaN/AlN strained superlattice layer were employed to facilitate device performance [92]. Vertical PNDs on Si substrate are proposed with FP, and a BV of 288 V is confirmed with a drift layer of 1.5 µm. Moreover, a higher BV of 720 V in PNDs on Si with 5.7 µm drift layer is reported in Fig. 10c [93]. Unlike the conductive Si substrate method, the cathode ohmic on back approach was made by a trench, which reaches the n
+
-GaN layer through the selective removal of regular Si substrate and buffer layer.
Besides the conductive Si substrate and trenched ohmic contact on back, substrate removal technology is an alternative method to produce vertical GaN PNDs on Si substrates. In Fig. 10d, a layer transfer technology is used to process vertical PINDs on Si substrate. After Si substrate removal, transfer, n -electrode, and sidewall passivation, the devices exhibit a low Rpada of 3.3 mΩ cm
2
and BV of 350 V [94]. The high BFOM value of 37.0 MV/cm
2
in PINDs demonstrates that substrate removal technology is an effective way for GaN-based PIND fabrication on Si substrates. Relative to other technologies, however, the more complicated fabrication process and higher production cost are issues that must be addressed during the substrate removal part.
As an alternative technical route, PNDs on Si substrates are fabricated with quasi-vertical or vertical device structures. To mitigate the substantial material mismatch between the Si substrate and GaN epitaxial stacks, a more effective epitaxial technology must be investigated. For a higher BV , thicker drift layer is also essential for a higher BV . This fact presents another key issue to investigate because the drift layer thickness on Si substrate is approximately 5 µm.
Future Challenges and Conclusion
Vertical PNDs are essential to simultaneously obtain high current (> 100 A) with high voltages (> 600 V), which can meet the requirements of several applications including electric vehicles and recycled energy processing. Despite the great progress achieved, applications of vertical GaN PNDs remain several barriers such as cost and technical limitations.
For FS-GaN substrate, high epitaxial quality with low threading dislocation has been achieved by a common MOCVD. The small size and high cost of the FS-GaN substrate confine the applications of the vertical GaN PNDs within a narrow range, and the small size also raises the price of GaN. The commercial GaN substrate is only 2-inch and is much smaller than 4–6 inch SiC and 8–12 inch Si substrates. The primary challenge for vertical GaN PNDs is achieving high epitaxial quality, especially the high quality of the p -GaN layer with a high hole concentration. Recently, novel PNDs are proposed through replacing p -GaN with NiOx synthesized by thermal oxidation or sputtering; great performance is also demonstrated as replacement of p -GaN in vertical PND and guard ring in GaN SBD [95,96,97,98].
Vertical GaN PNDs, as one of the most promising power devices, are reviewed and summarized in this study. The recent progresses on vertical GaN PNDs, including comparison of different materials (SiC vs. GaN) and different device structures (SBD versus PND), material epitaxy growth and edge termination techniques (FP, MESA, ion implanted and GR edge terminations), are discussed. Nilai Rpada versus BV by varied technologies are plotted in Fig. 11. Aside from the epitaxial technologies, edge termination technologies play a key role for vertical GaN PNDs to achieve high device performance at this stage. Despite its great progress in terms of device performance, the advantages of vertical GaN PNDs remain under-exploited. The characteristics of vertical GaN PNDs could be promoted by optimizing the device structure and epitaxial quality in succeeding studies. Then, commercialized vertical GaN PNDs will soon be available in the future with mature edge termination and epitaxial techniques.
Benchmarking of the Rpada versus BV of quasi- or full-vertical GaN PNDs
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
