Kemajuan Dioda PN GaN Vertikal: Tinjauan Komprehensif

Abstrak

Sebagai representatif materi semikonduktor jarak energi lega, nitrida galium (GaN) telah menarik perhatian yang semakin besar karena sifat materi unggulnya (misalnya, mobilitas elektron tinggi, kecepatan simpangan elektron tinggi, dan medan listrik kritis). Perangkat GaN vertikal telah diteliti, dianggap sebagai salah satu calon paling menjanjikan untuk aplikasi elektronika daya, dan ditandai dengan kapasitas tegangan tinggi, arus tinggi, dan tegangan hancur dilekrik tinggi. Di antara perangkat ini, dioda PN juncsi berbasis GaN vertikal (PND) telah diteliti secara luas dan menunjukkan kemajuan performa yang luar biasa berdasarkan kualitas epitaksi tinggi dan desain struktur perangkat. Namun, kualitas epitaksi perangkatnya memerlukan perbaikan lebih lanjut. Dari segi performa listrik perangkat, efek kerumunan medan listrik di tepi perangkat adalah masalah mendesak, yang mengakibatkan hancur dilekrik premature dan membatasi peluncuran keunggulan materi GaN, tetapi saat ini dapat diatasi dengan terminasi tepi. Tinjauan ini menekankan kemajuan dalam pertumbuhan epitaksial materi dan teknik terminasi tepi, diikuti oleh eksploran perkembangan GaN saat ini dan keunggulan potensial dibandingkan karbida silikon (SiC) untuk materi dan perangkat, perbedaan antara dioda ambang Schottky GaN (SBD) dan PND dalam hal mekanisme dan fitur, serta keunggulan perangkat vertikal dibandingkan sampingannya. Kemudian, tinjauan ini memberikan pandangan ke depan dan mengungkapkan tren desain PND GaN vertikal yang digunakan untuk sistem daya, termasuk PND GaN vertikal yang baru saja diperkenalkan.

Pendahuluan

Konsumsi energi global meningkat jauh lebih cepat dibandingkan beberapa dekade terakhir karena pertumbuhan industri dan ekonomi yang pesat. Oleh karena itu, diperlukan teknologi hemat energi canggih untuk mengatasi masalah konsumsi energi yang meningkat.

Perangkat berbasis silikon saat ini merupakan jenis dominan di antara perangkat daya [1]. Di antara perangkat daya ini, struktur transistor bipolar gate terinsulasi (IGBT) memainkan peran signifikan dan menampilkan tren yang berkembang menuju penggantian transistor bipolar juncsi (BJT) dan transistor efek lapangan semikonduktor logam oksida (MOSFET) sejak penemuan IGBT pada 1982 [2]. Saat ini, IGBT merupakan elemen penting dalam bidang elektronika daya untuk konversi dan transmisi [3]. Namun, perangkat daya berbasis silikon telah mencapai batas materi fundamentalnya hingga saat ini dan banyak digunakan dalam aplikasi energi listrik.

Dengan sifat unggulnya, GaN adalah salah satu materi semikonduktor jarak energi lega (termasuk SiC, GaN, Ga₂O₃ dan berlian) yang mampu memproduksi perangkat daya dengan kapasitansi dan resistansi rendah untuk tegangan hancur dilekrik tertentu dengan perangkat berbasis Si. Jadi, di Perangkat berbasis GaN dengan konsumsi energi rendah, kepadatan daya tinggi, dan efisiensi konversi tinggi untuk sistem elektronika daya diharapkan.

Seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1, GaN memiliki nilai Baliga's figure of merit (BFOM) yang jauh lebih tinggi daripada SiC (yang telah dikomersiialkan), fitur yang disebabkan oleh kecepatan simpangan 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 µ yang lebih tinggi dan konduktivitas termal yang lebih tinggi, dan telah mencapai dopings tipe p dan n dibandingkan Ga₂O₃. Sementara itu, untuk semikonduktor jarak energi lega akhir, berlian, kemajuan yang signifikan harus dicapai untuk mencapai tahap praktis. Hingga saat ini, perangkat berbasis GaN, misalnya, perangkat tiga terminal (transistor efek lapangan heterostruktur (HFET) dan MOSFET) dan perangkat dua terminal (SBD dan PND) telah menjadi topik penelitian utama, dan kemajuan besar telah dicapai dalam aplikasi mereka dalam penyetralan daya dan konversi daya.

GaN versus SiC

Dari sifat materi inherentnya, GaN memiliki keunggulan sedikit lebih baik daripada SiC, termasuk jarak energi lebih lebar, medan listrik kritis yang lebih tinggi, kecepatan simpangan elektron yang lebih tinggi, dan BFOM 3–4× lebih baik untuk perangkat daya [6]. Jadi, mempertimbangkan fitur unggulnya, perangkat berbasis GaN seharusnya lebih unggul daripada sisi SiC. Dalam aplikasi praktis, perangkat berbasis GaN vertikal esensial untuk kepadatan daya tinggi dan frekuensi operasi tinggi (Gambar 1) karena sifat materi unggulnya.

Sebagai semikonduktor jarak energi lega paling matang, perangkat SiC telah mencapai kemajuan yang luar biasa dalam satu dekade terakhir dan menunjukkan performa yang menjanjikan dalam hal tegangan tinggi, resistansi on spesifik rendah, dan kecepatan saklar yang cepat [8]. Dengan dasar penelitian yang mendalam sejak 1980 dan substrat SiC yang lebih besar dengan defek rendah (< 10⁴ cm⁻²), SBD SiC dan transistor efek lapangan juncsi (JFET) merupakan perangkat berbasis SiC pertama yang dikomersiialkan sejak 2001. Perangkat daya berbasis SiC lainnya termasuk MOSFET dan BJT berhasil dikembangkan dalam bidang aplikasi tegangan dan daya tinggi dan telah menunjukkan performa yang mengesankan [9].

Dibandingkan SiC, perangkat GaN berkembang sangat lambat. Kualitas materi yang tidak memuaskan mencegah realisasi beberapa sifat teoretis unggul mereka. Dengan ketiadaan substrat GaN, sebagian besar penelitian pada perangkat GaN saat ini terutama didasarkan pada struktur samping (misalnya, heterostruktur AlGaN/GaN). Dengan mobilitas elektron yang lebih tinggi 2000 cm²/V s (gas elektron dua dimensi (2DEG) di AlGaN/GaN), 1000 cm²/V s (GaN massal) dan kecepatan simpangan yang lebih tinggi 2,5 × 10⁷ cm/s relatif terhadap sisi SiC, perangkat AlGaN/GaN disukai untuk aplikasi frekuensi tinggi dan memiliki daya watt rendah relatif terhadap perangkat SiC [10]. Pada bidang frekuensi tinggi, SBD AlGaN/GaN mencapai performa transportasi listrik yang sangat baik dan lebih cocok untuk aplikasi gelombang mikro dan gelombang milimeter pada tingkat watt [11, 12]. SBD AlGaN/GaN adalah perangkat representatif untuk SBD GaN. Mobilitas tinggi 2DEG berarti SBD AlGaN/GaN menunjukkan keunggulan performa yang besar pada aplikasi frekuensi tinggi relatif terhadap SBD vertikal dan mempertahankan tegangan on rendah juga. Akhirnya, SBD AlGaN/GaN menjadi dasar untuk rangkaian pengencer 5,8 GHz dengan daya input 6,4 W dan tegangan on 0,38 V dengan tegangan hancur dilekrik (BV) 3000 V [13, 14]. Frekuensi potong maksimum mendekati 1 THz pada 0 V dengan jarak anoda-katoda 70 nm [15].

Untuk perangkat daya berbasis GaN, substrat GaN (GaN massal) adalah ideal untuk pertumbuhan epitaksi, yang dapat menggunakan teknologi homoepitaksi untuk menghilangkan ketidaksesuaian. Kepadatan celurah rendah GaN massal esensial untuk substrat epitaksi karena kepadatan celurah tinggi dapat mempengaruhi karakteristik performa seperti BV, arus kebocoran balik, volume produksi, dan keandalan [16]. Perkembangan perangkat berbasis GaN vertikal telah didorong oleh kemajuan substrat GaN dalam beberapa tahun terakhir. Namun, mengingat teknologi trioda vertikal yang relatif belum matang, dioda GaN vertikal telah menjadi topik penelitian panas pada tahap awal ini. Dibandingkan SBD AlGaN/GaN, SBD GaN vertikal memiliki keunggulan yang serupa pada bidang frekuensi seperti kecepatan saklar tinggi dengan waktu pemulihan balik rendah dan kehilangan konduksi rendah; namun, yang terakhir memiliki kepadatan arus yang lebih besar dan jalur kebocoran lebih sedikit daripada yang pertama [17, 18].

Beberapa masalah telah timbul untuk substrat GaN. Pertama, substrat GaN saat ini tersedia dengan kepadatan celurah 10⁴–10⁶ cm⁻², namun kepadatan celurah ini masih jauh lebih tinggi dibandingkan substrat Si dan SiC [19]. Kedua, relatif terhadap ukuran wafer 4–6 inci dan biaya wajar (10 euro/cm²) SiC, ukuran 2–3 inci dan biaya relatif tinggi (100 euro/cm²) substrat GaN menghambat komersialisasi GaN dan produktivitas dalam skala besar [20]. Selain meningkatkan penyedia vendor, epitaksi heterogen pada substrat asing (Si, safir, atau SiC) adalah alternatif untuk mengurangi biaya substrat GaN, tetapi tantangan ketidaksesuaian dan celurah yang relatif tinggi harus diatasi.

Selain masalah yang disebutkan di atas dalam materi massal, tantangan untuk dioda GaN adalah mencapai kualitas materi tipe p yang tinggi. Relatif terhadap teknik yang relatif canggih untuk membentuk p-tipe SiC dengan implos ion Al, teknologi implos ion p-tipe yang belum matang dan aktivasi penerima rendah untuk GaN tipe p adalah hambatan vital, yang membatasi pengembangan struktur dan pembuatan perangkat berbasis GaN. Oleh karena itu, berbagai jenis struktur terminasi tepi diusulkan untuk meningkatkan performa dioda GaN dan menjadi bagian kunci dari tinjauan ini.

Perangkat GaN Berbasis Vertikal pada Substrat FS

Hingga 10 tahun yang lalu, sebagian besar dioda GaN, termasuk SBD dan PND, diproduksi pada substrat asing membentuk struktur perangkat samping atau quasi-vertikal karena ketersediaan substrat GaN massal yang tidak tersedia. Dioda samping atau quasi-vertikal menunjukkan karakteristik listrik yang luar biasa, namun mereka masih menderita kekurangan inherent dari struktur perangkat [21]. Pertama, ketidaksesuaian dan celurah tidak dapat dihindari. Kemudian, untuk perangkat GaN pada substrat asing, lapisan buffer esensial antara lapisan drift GaN dan substrat asing. Jadi, relaksasi stres lapisan buffer akan menyebabkan pembengkokan wafer, yang akan menurunkan ketebalan lapisan epitaksi GaN [22]. Selain itu, resistansi batas termal yang besar (GaN dengan substrat) memiliki pengaruh serius pada performa perangkat untuk perangkat GaN yang bekerja pada kepadatan daya tinggi [23].

Menurut perkembangan teknik epitaksi, substrat GaN bebas mandiri (FS-GaN) dengan kepadatan celurah rendah yang digunakan untuk perangkat GaN vertikal telah membuat kemajuan besar. Kualitas materi GaN homoepitaksial pada substrat FS-GaN menunjukkan perbaikan yang jelas dan menunjukkan potensi untuk aplikasi daya. Perangkat GaN vertikal dapat mengurangi kekurangan sisi GaN samping. Pertama, lapisan epitaksi GaN yang lebih tebal dapat ditanam tanpa buffer, dan BV yang lebih tinggi (yang melebihi perangkat GaN samping) dapat diperoleh dan ditentukan oleh ketebalan lapisan drift. Sementara itu, medan listrik maksimum terletak di bagian dalam perangkat dan jauh dari permukaan perangkat (menghilangkan efek penangkap elektron yang biasanya terjadi pada perangkat samping). Dengan kualitas tinggi substrat FS-GaN, perangkat GaN vertikal telah diteliti sejak 2011 [24]. Sejak saat itu, PND GaN vertikal dengan BV tinggi dan resistansi on rendah telah diproduksi dan mencapai performa yang luar biasa.

PND versus SBD

Untuk aplikasi praktis, dioda adalah komponen esensial untuk konversi dan inversi daya [25]. Dengan sifat materi yang berbeda GaN, dioda berbasis GaN (SBD dan PND) menunjukkan performa yang luar biasa, yang diharapkan dapat memenuhi persyaratan aplikasi daya. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, PND memiliki cakupan terbesar di antara perangkat GaN dengan struktur yang beragam dan tegangan tahan dari 600 hingga 5000 V, fitur yang menunjukkan skenario aplikasi yang lebih luas.

Dibandingkan PND, yang tidak memiliki masalah penyimpanan pembawa minoritas dan tinggi ambang SBD rendah, SBD GaN menampilkan tegangan on maju rendah (V_on) dan pemulihan balik cepat, dan karakteristik ini menunjukkan bahwa keuntungan SBD terungkap dalam kehilangan konduksi/saklar rendah, operasi frekuensi tinggi, tetapi nilai BV lebih rendah daripada PND; selain itu, perhatikan bahwa tegangan on tinggi dapat menyebabkan kehilangan konduksi tinggi dan menurunkan efisiensi rangkaian dan sistem [27, 28].

Pada bidang daya tinggi, SBD quasi-vertikal atau vertikal memiliki keunggulan yang luar biasa dibandingkan SBD AlGaN/GaN [29]. Selain itu, tegangan on rendah (< 0,5 V) dicapai dengan menyesuaikan tinggi ambang dengan logam fungsi kerja rendah. Namun, tinggi ambang rendah dapat dengan mudah mengakibatkan arus kebocoran balik tinggi dan menurunkan BV. Akibatnya, berbagai struktur terminasi tepi diusulkan untuk meningkatkan performa. Dengan bantuan berbagai teknologi terminasi tepi [27, 28, 30, 31], kepadatan arus tinggi pada tingkat KA/cm² dengan BV di atas 1 kV terkonfirmasi. Sementara itu, SBD vertikal juga menunjukkan kemampuan yang luar biasa untuk frekuensi tinggi, seperti 177–183 GHz dan frekuensi potong maksimum 902 GHz pada 0 V, fitur yang diharapkan untuk sumber daya dalam sistem komunikasi nirkabel terahertz [12, 32].

Relatif terhadap GaN tipe n, GaN tipe p yang ditanam oleh depozi kimia uap logam organik (MOCVD) dan epitaksi sinar molekul (MBE) diperkenalkan dengan menggunakan Mg sebagai penerima [33]. Dibandingkan SBD GaN, PND GaN memiliki banyak keuntungan, seperti resistansi on spesifik rendah (R_onA) dan stabilitas perangkat yang memadai serta kemampuan untuk menahan arus lonjakan. Meskipun tegangan on tinggi (> 3 V) dan kecepatan saklar yang relatif rendah, arus kebocoran balik yang sangat rendah karena tinggi ambang yang lebih tinggi dan BV tinggi diperoleh. Perhatikan bahwa BV tinggi dari 0,6 hingga 5 kV adalah performa paling luar biasa untuk PND berbasis GaN. Jadi, PND berbasis GaN memiliki potensi besar sebagai blok konstruksi penting dari sistem daya generasi mendatang untuk aplikasi daya tinggi, yang memerlukan efisiensi tinggi dan kehilangan energi rendah [34]. Serupa dengan SBD GaN vertikal, terminasi tepi untuk PND GaN juga diproduksi untuk mengurangi kerumunan medan listrik di sekitar anoda, fitur yang akan dijelaskan secara rinci nanti dalam artikel ini.

Dalam perangkat daya, sambungan PN juga dapat diperlakukan sebagai struktur sambungan baru. Untuk menggunakan BV tinggi dengan arus kebocoran balik rendah dari PND, performa saklar tinggi dan tegangan on rendah dari SBD pada saat yang sama, struktur perangkat baru termasuk ambang juncsi Schottky (JBS) dan gabungan PN Schottky (MPS) menghasilkan kombinasi SBD dan PND dengan pembentukan wilayah grid tipe p di daerah kontak Schottky. Perangkat JBS atau MPS memiliki karakteristik konduksi maju SBD dan pemblokiran balik PND dan diharapkan memiliki performa saklar yang lebih baik dan tegangan balik lebih tinggi daripada PND dan SBD konvensional, masing-masing [35].

Selain aplikasi daya tinggi, PND GaN juga digunakan untuk perangkat optoelektronik seperti dioda memancar cahaya (LED), detektor cahaya, dan untuk deteksi nyala karena arus gelap yang rendah beberapa pA di dioda foton juncsi PN berbasis GaN [36, 37].

Tujuan Tinjauan Ini

Berdasarkan sifat materi unggul GaN, perangkat berbasis GaN telah diteliti secara luas dan digunakan dalam aplikasi elektronika daya sebagai salah satu materi semikonduktor terpanas. Di antara perangkat berbasis GaN, PND berbasis GaN vertikal telah dieksplorasi secara luas dan menunjukkan BFOM yang sangat baik. Teknik terminasi tepi juga esensial untuk mengurangi kerumunan medan listrik di sekitar almari anoda.

Dalam tinjauan ini, kemajuan dalam pertumbuhan epitaksial materi dan teknik terminasi 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 sampingan. Tinjauan ini memberikan pandangan ke depan dan mengungkapkan tren desain PND GaN vertikal yang digunakan untuk sistem daya, termasuk PND GaN vertikal yang baru saja diperkenalkan. Pengembangan pertumbuhan epitaksial yang sesuai dengan lapisan yang berbeda dalam PND GaN vertikal diperkenalkan dalam Bagian 2. Teknologi terminasi tepi dieksplorasi dalam Bagian 3. Dalam Bagian 4, PND GaN vertikal pada substrat Si ditunjukkan sebagai metode alternatif. Terakhir, kesimpulan dan pandangan ke depan pengembangan PND GaN vertikal di masa depan disediakan.

Pertumbuhan Epitaksial Materi

Substrat GaN PND Vertikal

Sebagai proses epitaksi mainstream, lapisan epitaksi perangkat vertikal saat ini terutama ditanam oleh MOCVD pada substrat GaN konduktif yang diproduksi oleh epitaksi fasa uap hidrida (HVPE). Dalam struktur ini, kualitas substrat secara langsung mempengaruhi struktur epitaksi berikutnya. Banyak mekanisme kegagalan dalam perangkat berasal dari kualitas epitaksi substrat [38]. Kualitas tinggi substrat GaN konduktif harus diperoleh untuk meningkatkan lebih lanjut performa I–V maju dan balik, terutama arus kebocoran balik dan kemampuan BV.

Substrat yang ditanam oleh HVPE dianggap sebagai metode paling nyaman untuk produksi massal karena biaya relatif rendah dan reproduktibilitasnya. Namun, pada tahap awal, teknologi pertumbuhan yang belum matang berarti substrat GaN yang ditanam oleh HVPE memiliki konsentrasi pembawa latar belakang tinggi (> 10¹⁹ cm⁻³) dan kualitas kristal yang tidak memuaskan. Oleh karena itu, HVPE tidak digunakan untuk menanam struktur perangkat [39]. Dengan perkembangan cepat teknologi pertumbuhan epitaksi, bahan GaN massal berkualitas tinggi oleh HVPE menjadi secara bertahap mungkin [40, 41]. Selain substrat, lapisan epitaksi parsial dalam perangkat sekarang dapat ditanam oleh HVPE dan dapat menghasilkan keseragaman arus yang lebih tinggi dan penghilang langkah makro pada permukaan GaN dengan menggabungkan proses epitaksi HVPE dan MOCVD dengan teknologi bebas karbon dibandingkan perangkat yang ditanam hanya oleh MOCVD [42].

Saat ini, substrat GaN komersial dengan kepadatan celurah minimum kurang dari 10⁴ cm⁻² tersedia. PND GaN vertikal pada substrat GaN dengan kepadatan celurah rendah telah diproses. Namun, pembengkokan wafer tetap merupakan masalah. Sebagai solusi yang menjanjikan, metode ammonothermal dapat mencapai substrat GaN dengan kualitas epitaksi yang lebih baik. Dengan autoklaf tekanan tinggi dan amonia superkritik, celurah threading dapat secara signifikan diturunkan hingga 10⁴–10⁵ cm⁻² [43]. Dengan metode ammonothermal, resistansi rendah 0,001 Ω cm² dalam substrat GaN dengan dopings n-tipe tinggi (1 × 10¹⁹–1 × 10²⁰ cm⁻³) juga dilaporkan serta BV 3 kV [44]. Namun, kelemahan metode ammonothermal adalah laju pertumbuhan yang rendah sekitar 80–90 μm/hari, fitur yang tidak menguntungkan untuk produksi praktis. Meningkatkan laju pertumbuhan dan mempertahankan kualitas materi yang tinggi juga merupakan arah yang menguntungkan untuk penelitian selanjutnya.

Selain substrat GaN komersial, beberapa substrat juga diteliti untuk performa yang berbeda, termasuk substrat non-Ga-plane (c-plane). Secara umum, substrat Ga-polar (yaitu, c-plane) digunakan untuk perangkat GaN vertikal. Kemudian, lapisan epitaksi berikutnya menunjukkan efek polarisasi yang drastis. Namun, di arah berlawanan dari sisi Ga-polar, lapisan homoepitaksial di sepanjang arah N-polar menunjukkan properti perangkat unik karena suhu dekomposisi yang lebih tinggi dan properti bergantung pada polaritas [45, 46]. Dengan substrat FS-GaN kristal tunggal N-polar, medan listrik 2,2 MV/cm tanpa terminasi tepi apapun telah dicapai, serta BV 2,4 kV dengan perlakuan plasma permukaan N₂O dan bidang plat (FP) [46, 47]. Sebagai substrat GaN khusus lainnya, m-plane juga menarik perhatian luas karena properti nonpolarnya di mana rasio Ga:N adalah 1:1 di m-plane relatif hanya Ga di c-polar dan hanya N di substrat N-polar. Dengan substrat GaN nonpolar ini, karakteristik PND dilaporkan dengan medan listrik kritis 2,0 MV/cm dan rasio on/off tinggi tanpa FP atau terminasi tepi [48].

Teknik Epitaksi N-GaN

Sebelum tersedianya substrat GaN konduktif berkualitas tinggi, PND GaN terutama diproduksi pada substrat asing termasuk Si, SiC, dan safir. Oleh karena itu, struktur perangkat selalu terbatas pada sampingan. Sebuah metode berdasarkan struktur samping diusulkan untuk meningkatkan kualitas epitaksi. Dengan celurah threading (TD) rendah di daerah jendela pada perangkat samping, lapisan epitaksi GaN yang ditanam secara lateral melalui masker dapat mencapai kepadatan TD yang jauh lebih rendah. Oleh karena itu, epitaksi overgrowth lateral dilakukan untuk menanam lapisan epitaksi GaN pada substrat safir untuk PND samping. Arus kebocoran balik ditekan hingga tiga orde besar [49].

Dengan perkembangan teknologi epitaksi, substrat GaN kristal tunggal berkualitas tinggi dengan kepadatan celurah rendah 3 × 10^–6 cm⁻² tersedia, dan PND GaN diproduksi pada substrat GaN. Digabungkan dengan lapisan epitaksi atas yang ditanam oleh MOCVD, perangkat menunjukkan arus kebocoran rendah dan BV tinggi 600 V hingga 4 kV yang sesuai dengan ketebalan drift dari 6 hingga 40 μm [16, 50]. Relatif terhadap perangkat pada substrat safir, arus kebocoran balik dan BV secara signifikan meningkat [51].

Dengan substrat GaN asli, lapisan buffer khusus biasanya tidak terjadi dalam struktur epitaksi PND seperti pada substrat asing. Efek lapisan buffer dalam PND pada substrat GaN diselidiki sebagai referensi. Keberadaan lapisan buffer berarti lapisan drift memiliki kepadatan celurah yang lebih rendah. Sementara itu, BV yang lebih tinggi dapat diperoleh dengan lapisan drift yang lebih tipis tetapi lapisan buffer yang lebih tebal. Arus kebocoran balik perangkat juga meningkat. Parameter perangkat ini menunjukkan hubungan yang kuat dengan ketebalan lapisan buffer, yang memiliki efek kecil pada karakteristik maju perangkat [52].

Lapisan epitaksi atas ditanam oleh MOCVD, epitaksi fasa uap logam organik (MOVPE), dan MBE, seperti yang dibahas dalam bagian ini. Struktur epitaksi PND mencakup lapisan GaN n⁺ yang sangat tinggi dopings dan lapisan drift GaN n⁻ antara substrat dan GaN p (Gambar 3). Lapisan GaN n⁺ yang sangat tinggi dopings bertindak sebagai lapisan transisi pada substrat GaN konduktif dalam beberapa laporan.

Secara umum, BV menentukan skenario aplikasi perangkat. Misalnya, BV yang lebih tinggi untuk perangkat SiC relatif terhadap GaN memungkinkan perangkat SiC digunakan dalam aplikasi daya dan tegangan tinggi seperti mobil listrik dan kereta peluru (Gambar 1). Serupa, dioda PN biasanya diterapkan pada tegangan yang lebih tinggi dibandingkan dioda Schottky dan HEMT. Dalam PND, BV terutama ditanggung oleh lapisan drift (lapisan GaN n⁻ yang rendah dopings) dengan perlebaran daerah penyebaran (seperti yang direpresentasikan dalam Eq. 1 dengan tegangan terap V yang mana V positif/negatif untuk bias maju/balik ketika perangkat berada di bawah bias balik. Selain itu, hancur dilekrik terjadi dengan peningkatan lebih lanjut dari bias balik.

$$W_{\text{D}} = \sqrt {\frac{{2{\varepsilon_{\text{s}}}\left( {{V_{{\text{bi}}}} - V} \right)}}{q}\frac{{{N_{\text{A}}} + {N_{\text{D}}}}}{{{N_{\text{A}}}{N_{\text{D}}}}}}$$ (1)

di mana S, q, V_bi, N_D, dan N_A adalah luas sambungan, muatan elektron, potensi bawaan, konsentrasi donatur, dan konsentrasi penerima, masing-masing [53].

Menurut lebar penyebaran, perangkat dapat dibagi menjadi non-punch-through [W_D > W_Dm (W_Dm: lebar lapisan penyebaran maksimum)] dan punch-through (W_D < W_Dm). Dengan mengingat masalah struktur epitaksi dan tepi, sebagian besar perangkat GaN vertikal termasuk jenis punch-through, yaitu, daerah penyebaran mereka meluas di seluruh lapisan GaN n⁻ dan mencapai substrat GaN n⁺ sebelum hancur dilekrik.

Selain itu, seperti yang dijelaskan dalam Eq. (2), BV dapat ditingkatkan dengan meningkatkan ketebalan dan mengurangi konsentrasi dopings n-tipe dari lapisan drift.

$${BV} = {E_{\text{C}}}t - \frac{{q{N_{\text{D}}}{t^2}}}{{2{\varepsilon_0}{\varepsilon_{\text{r}}}}}$$ (2)

di mana E_C, q, t, N_D, dan ε_r adalah medan listrik kritis, muatan elektron, ketebalan lapisan GaN n⁻, konsentrasi pembawa bersih lapisan GaN n⁻, dan permitivitas semikonduktor, masing-masing [54]. Untungnya, pengalaman menunjukkan bahwa lapisan drift dengan ketebalan yang lebih tebal dan dopings yang lebih rendah hanya berkontribusi pada peningkatan kecil terhadap resistansi on dalam konduksi maju.

Dibandingkan meningkatkan BV dengan menambahkan ketebalan lapisan drift, pengurangan konsentrasi dopings n-tipe di lapisan GaN n⁻ saat ini sulit, karena konsentrasi latar belakang tinggi termasuk Si, O dan sebagainya. Untuk pengurangan lebih lanjut konsentrasi dopings di lapisan GaN n⁻, konsentrasi dopings tidak sengaja diselidiki. Banyak kelompok penelitian memperkenalkan i-GaN nominal sekitar 10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³ yang menyentuh GaN p untuk membentuk struktur p–i–n untuk meningkatkan BV dioda [55].

Tentu saja, prasyarat dari langkah-langkah ini adalah kualitas epitaksi tinggi dari lapisan drift karena celurah threading (TD) dapat meningkatkan kebocoran keadaan mati dan menurunkan properti BV [56].

Untuk meningkatkan lebih lanjut kualitas epitaksi lapisan drift dalam PND GaN vertikal, pertumbuhan dengan MBE diselidiki pada substrat GaN. Arus kebocoran kurang dari 3 nA/cm² dan medan listrik 3,1 MV/cm diperoleh dengan kepadatan celurah threading sangat rendah. Performa hancur dilekrik yang hampir ideal menunjukkan bahwa MBE adalah metode efektif untuk menanam lapisan epitaksi dalam PND GaN vertikal [56]. Namun, serupa dengan pertumbuhan ammonothermal, laju epitaksi adalah kelemahan lainnya.

Epitaksi P-GaN

P-GaN, komponen penting dalam PND GaN vertikal, dilaporkan pada 1989 sejak kemunculan GaN oleh HVPE pada 1969 [57, 58]. Ia pertama kali digunakan untuk mendapatkan LED biru. Kemudian, GaN p secara bertahap digunakan di bidang perangkat listrik seperti perangkat normally-off dan PND. Dalam PND GaN vertikal, GaN p terdiri dari konsentrasi dopings ringan (sekitar 10¹⁹ cm⁻³) dan berat (≥ 10²⁰ cm⁻³), yang sesuai untuk membentuk lapisan sambungan PN dengan lapisan drift dan memfasilitasi kontak ohmik sebagai elektroda anoda.

Secara umum, pertumbuhan epitaksi GaN p diproduksi oleh MOCVD pada suhu sekitar 1000 °C dan mengadopsi Mg²⁺ sebagai penerima. Kemudian, lapisan GaN p yang ditanam harus diaktivasi pada suhu tinggi 700–800 °C dalam suasana N₂ atau 400 °C dalam suasana O₂, sehingga memfasilitasi konsentrasi lubang yang relatif tinggi [59,60,61]. Namun, energi ionisasi tinggi 150–200 meV dari ikatan Mg-H berarti tingkat aktivasi GaN p hanya 1–3%. Tingkat aktivasi rendah juga terkait dengan suhu. Dopant Mg dapat dire-passivasi pada suhu tinggi ≥ 600 °C dalam suasana NH₃ atau hidrogen [62]. Untuk meningkatkan konsentrasi lubang, hanya meningkatkan konsentrasi dopings tidak bisa dilakukan karena konsentrasi dopings yang lebih tinggi di GaN p dapat mengakibatkan penurunan kualitas kristal lapisan dan mengurangi kepadatan lubang melalui efek kompensasi diri [63]. Saat ini, puncak kepadatan lubang biasanya dapat dicapai pada konsentrasi penerima sekitar 3 × 10¹⁹ cm⁻³ [64]. Meskipun ada beberapa masalah untuk GaN p, laporan penelitian terkait tidak banyak. Ini mungkin disebabkan oleh dua alasan. Satu adalah keterbatasan properti intrinsik materi dan peralatan epitaksi. Yang lain adalah bahwa GaN p saat ini juga dapat mencapai performa perangkat yang dapat dibandingkan.

Namun, optimisasi kondisi pertumbuhan dan proses epitaksi baru masih diteliti. Misalnya, pada 2017, GaN p yang ditanam ulang tanpa aktivasi oleh MBE diusulkan dan memiliki keuntungan dibandingkan MOCVD. Dengan lingkungan pertumbuhan hidrogen rendah, BV 1,1 kV dan faktor idealitas 2,5 dicapai oleh PND GaN vertikal yang diproduksi [65]. Metode pembuatan GaN p yang menarik lainnya adalah implos ion Mg dengan proses pengurai tekanan ultra tinggi (UHPA). Hasilnya menunjukkan bahwa rasio aktivasi tinggi 70% dan mobilitas lubang 24,1 cm²V⁻¹ s⁻¹ dicapai dengan pengurai pasca-implos pada suhu 1573–1753 K dalam tekanan N₂ 1 GPa. Hasil ini dapat dibandingkan dengan pertumbuhan epitaksi oleh MOCVD [66].

Dalam kesimpulan, untuk substrat, substrat GaN komersial dengan celurah rendah kini tersedia. Sementara itu, teknologi epitaksi masih berkembang, situasi yang sangat mempengaruhi performa perangkat. Dibandingkan MOCVD, MBE dapat mencapai kualitas epitaksi yang luar biasa, yang menghasilkan performa perangkat yang luar biasa tanpa terminasi tepi apapun. Namun, laju pertumbuhan yang lambat dan biaya tinggi membuat MBE tidak cocok untuk produktivitas skala besar. Pertumbuhan epitaksi oleh MOCVD masih merupakan metode produksi utama dalam praktik. Jadi, meningkatkan kualitas lapisan epitaksi yang ditanam oleh MOCVD adalah masalah mendesak, yang akan memerlukan waktu yang cukup. Oleh karena itu, desain struktur perangkat canggih atau langkah-langkah diusulkan untuk performa yang luar besar pada tahap ini.

Teknik Terminasi Tepi

Untuk PND GaN vertikal, BV adalah parameter penting. Hampir semua penelitian pada PND GaN vertikal berpusat pada peningkatan tegangan tahan pada balik (yaitu, BV). Namun, karena kerumunan medan listrik di tepi sambungan PN, tepi lapisan penyebaran, atau tepi elektroda, hancur dilekrik premature sering terjadi. Oleh karena itu, untuk mengurangi kerumunan medan listrik perangkat, desain struktur perangkat canggih (yaitu, teknik terminasi tepi) dikembangkan. Berbagai teknik terminasi tepi kini telah diadopsi untuk meredakan kerumunan medan listrik di tepi PND GaN untuk BV yang lebih tinggi. Teknik ini terutama meliputi bidang plat (FP), implos ion dan perlakuan plasma, serta etsing meja dengan sudut atau langkah yang berbeda dan cakling penahan (GR) [49, 67,68,69]. Fitur-fitur ini dibahas dalam bagian ini.

Bidang Plat Logam

FP telah banyak digunakan dalam perangkat berbasis GaN untuk memindahkan puncak medan listrik jauh dari tepi gerbang, anoda, atau sambungan. Metode ini memiliki fitur yang identik untuk meredakan intensitas medan listrik di tepi PN di bawah bias balik. Selain itu, arus kebocoran rendah dan tegangan hancur dilekrik tinggi di bawah tegangan balik dapat dicapai dengan menggunakan terminasi FP, yang juga memiliki proses pembuatan yang relatif sederhana.

Keuntungan struktur FP meliputi proses pembuatan yang sederhana dan kompatibilitas dengan proses perangkat. Sementara itu, lapisan dielektrik FP juga merupakan lapisan pasivasi perangkat. Sebagai terminasi tepi paling awal dan paling banyak digunakan untuk PND GaN vertikal, terminasi FP non-diperluas awalnya digunakan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a. Untuk membuat struktur FP, struktur meja diproses oleh etsing kering plasma terpadu induktif (ICP). Kemudian, untuk menekan arus kebocoran parasit dari kerusakan plasma, film dielektrik pasivasi ditanam di seluruh elektroda anoda dan seluruh struktur meja [70].

Untuk meredakan lebih lanjut kerumunan medan listrik di periferi tepi sambungan PN, logam diperluas FP digunakan untuk menutupi seluruh meja untuk menekan arus kebocoran balik dan meningkatkan BV [71]. Struktur FP yang dioptimalkan ini kini banyak digunakan dalam pembuatan PND GaN vertikal. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, BV ditingkatkan di atas 3 kV dengan struktur FP diperluas. Sementara itu, arus kebocoran balik juga ditekan ke tingkat yang sangat rendah pada tegangan balik 3 kV.

Sebagai komponen esensial struktur FP, lapisan pasivasi memiliki dampak yang besar pada karakteristik perangkat. Oleh karena itu, lapisan pasivasi yang tepat esensial. Sebuah lapisan pasivasi yang memiliki permitivitas tinggi-k diusulkan oleh simulasi, dan aliran arus balik seragam juga dapat diperoleh [50]. Menurut teori ini, PND GaN vertikal dengan terminasi FP menggunakan Ga₂O₃ (permitivitas dielektrik 10) sebagai film pasivasi dilaporkan. BV mengalami peningkatan besar dari 200 hingga 550 V, yang mengungkapkan bahwa film permitivitas tinggi seperti Ga₂O₃ menjanjikan sebagai film pasivasi terminasi FP dalam PND GaN vertikal untuk meningkatkan karakteristik perangkat [72]. Namun, beberapa kerugian muncul untuk terminasi FP. Masalah utama adalah celurah selama depozi lapisan dielektrik dan antarmuka antara dielektrik dan GaN, yang mengakibatkan penangkap pembawa. Ini akan mengakibatkan ketidakstabilan performa perangkat selama penggunaan jangka panjang. Oleh karena itu, proses depozi yang dioptimalkan dari lapisan dielektrik harus diteliti.

Terminasi Meja

Etsing meja adalah langkah yang tidak dapat dihindari untuk mengisolasi perangkat bersebelahan dalam pembuatan perangkat berbasis GaN datar. Karena proses sederhana, struktur ini populer untuk proses PND GaN vertikal. Selain medan listrik seragam di tepi sambungan PN, BV tinggi dengan karakteristik non-ruinus dan lavin dapat dicapai dalam PND. Misalnya, struktur meja sederhana tetapi dalam dapat mencapai performa yang luar biasa. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, dengan struktur meja lebih dari 10 µm kedalaman dalam PND vertikal, BV non-ruinus dan karakteristik lavin terkonfirmasi [73].

Struktur meja baru diselidiki seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b. Struktur meja multi (dua meja) diadopsi dalam PND vertikal. Relatif terhadap struktur meja tunggal umum, struktur dua meja dapat memindahkan puncak medan listrik dari tepi sambungan PN ke di bawah GaN p yang ditipiskan di meja atas karena depletasi total lubang di lapisan GaN p yang ditipiskan. BV tinggi 4,7–4,8 kV dengan fitur non-ruinus berhasil dicapai oleh struktur dua meja. Kemampuan lavin diperoleh tanpa menurunkan karakteristik I–V maju [74]. Di sisi lain, struktur dua meja memiliki fungsi yang identik untuk PIND quasi-vertikal [75]. BV ditingkatkan dari 665 hingga 835 V dengan arus kebocoran rendah pada saat yang sama.

Selain struktur meja tegak lurus umum, struktur meja dengan sudut bevel negatif baru diusulkan untuk mengurangi kerumunan medan listrik di tepi sambungan PN. Dengan meja bevel negatif, medan listrik di tepi memiliki tren menurun ketika sudut bevel θ diturunkan dari 90˚. Puncak medan listrik akan dipindahkan ke dalam perangkat. Dalam [76], penelitian eksperimental menunjukkan bahwa struktur meja bevel (Gambar 6a) dapat menginduksi BV yang lebih tinggi dari 3 kV dan arus kebocoran rendah relatif terhadap BV 3 kV dalam PND dengan meja tajam saat menggunakan struktur FP yang sama. Penelitian lebih lanjut dilakukan dengan simulasi menggunakan desain komputerisasi teknologi (TCAD). Dalam PND GaN vertikal dengan meja bevel (Gambar 6b), medan listrik maksimum ditentukan oleh konsentrasi penerima N_A di GaN p, konsentrasi donatur N_D di lapisan drift GaN n⁻, dan θ dari meja bevel. Dengan analisis teoretis dan simulasi, θ yang lebih kecil dapat menyebabkan E_pp (medan hancur dilekrik bidang paralel) yang lebih tinggi. Pada saat yang sama, GaN p yang rendah dopings bermanfaat untuk mencapai BV tinggi untuk θ tetap dari meja bevel. Mengambil θ = 10° sebagai contoh, hasil eksperimen mendukung temuan ini. Medan hancur dilekrik bidang paralel 2,86 MV/cm dicapai, dan hasil ini konsisten dengan simulasi [77].

Serupa dengan terminasi FP, etsing kering dan/atau insulator (atau film pasivasi) diperlukan dalam proses terminasi tepi. Jadi, kerusakan dari etsing kering harus dipertimbangkan dan dapat menyebabkan arus kebocoran balik tinggi, bahkan hancur dilekrik premature. Pada saat yang sama, permintaan tinggi untuk peralatan etsing untuk presisi etsing, dan kedalaman etsing sulit dikontrol. Sementara itu, keberadaan kerusakan menghasilkan antarmuka negara yang lebih rumit antara insulator dan semikonduktor yang dietsing, situasi yang akan mempengaruhi keandalan perangkat. Akibatnya, mengurangi atau meredakan kerusakan adalah masalah yang tidak dapat dihindari. Sekarang, beberapa resep (misalnya, hidroksoida tetrametilamoni (TMAH) dan pengurai pasca yang memiliki fitur untuk menghilangkan kerusakan dengan etsing basah dan memperbaiki kerusakan etsing kering, masing-masing) telah diadopsi untuk memperlakukan permukaan yang dietsing untuk meningkatkan performa.

Perlakuan Ion

Implos ion digunakan untuk mengurangi konsentrasi medan listrik di dekat tepi. Sebagai struktur terminasi yang relatif sederhana, teknik berbasis implos diselidiki dalam perangkat GaN, yang mencakup spesies kompensasi (misalnya, O, H, dan Zn) atau spesies iners (misalnya, Ar, N, He, dan Kr) untuk membuat jebakan level dalam di daerah terminasi [78,79,80,81,82]. Akhirnya, untuk meredakan terjadinya hancur dilekrik premature dalam PND GaN vertikal, terminasi implos ion (misalnya, N, F, Mg, dan H) juga digunakan. Namun, mekanisme terminasi implos ion ini berbeda.

Relatif terhadap SBD GaN vertikal [83], implos N dalam PND GaN vertikal mengungkapkan mekanisme yang berbeda, yang melibatkan pembuatan defek tipe donatur (celurah N dan interstisial N) untuk mengkompensasi dopan tipe p. Setelah diproses oleh implos N seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a dan b, konduktivitas GaN p dapat diturunkan atau dihilangkan (insulator) oleh implos N [53]. Untuk meningkatkan lebih lanjut BV, lapisan tidak sepenuhnya dikompensasi diusulkan, yaitu, lapisan sepenuhnya dikompensasi dipadukan dengan lapisan sebagian dikompensasi dalam GaN p. Jadi, BV yang lebih tinggi diharapkan, dan mekanisme dianalisis oleh simulasi [84]. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa implos N dengan GaN p⁺ sebagian dikompensasi dapat menginduksi BV 1,68 kV tanpa menurunkan karakteristik maju [85].

Terminasi tepi plasma hidrogen (H-plasma) juga dapat mengurangi konduktivitas GaN p, tetapi dengan mekanisme yang berbeda. Perlakuan H-plasma adalah metode pasivasi efektif untuk mengubah GaN p konduktif menjadi sangat resistif karena ikatan Mg-H yang kuat di GaN p. Berbeda dengan implos N, perlakuan H-plasma lebih cocok untuk digunakan dalam PND GaN vertikal karena kerusakan rendah, suhu rendah, dan operasi sederhana yang terlibat. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8a, PND menunjukkan medan listrik 3,0 MV/cm hanya dengan perlakuan H-plasma. Samaan waktu, perangkat menunjukkan karakteristik I–V majukan yang dapat dibandingkan dan arus kebocoran balik yang lebih rendah [86].

Pada saat yang sama, ion fluorin (F) juga memiliki kemampuan untuk memodulasi medan listrik puncak karena muatan tetap negatif ketika perangkat berada di bawah bias balik. Namun, jika terminasi tepi implos F dilakukan dalam PIND GaN vertikal, desain dan optimisasi struktur yang ketat diperlukan [87].

Selain implos ion N, H, dan F sebagai terminasi tepi, implos ion Mg juga adalah metode alternatif untuk mengubah negara permukaan/antarmuka yang berasal dari kerusakan etsing kering ICP. Implos ion Mg baru dipadukan dengan meja paruh baru diadopsi untuk mengkomensasi kerusakan tipe donatur untuk PND GaN vertikal (Gambar 8b). Kemudian, BV 1,5 kV dicapai dengan resistansi on spesifik R_on 0,7 mΩ cm² [88].

Terminasi implos ion adalah metode efektif untuk BV tinggi dalam PND GaN vertikal. Proses implos ion juga relatif sederhana. Namun, kerusakan kristal terjadi selama implos ion energi tinggi. Selain itu, pengurai pasca pada suhu tinggi diperlukan dalam beberapa terminasi implos ion untuk meredakan kerusakan kristal. Profil implos ion berbentuk persegi panjang diusulkan, jadi kedalaman implos harus dikontrol dengan tepat. Terakhir, meskipun proses implos ion sederhana, peralatan yang diperlukan mahal karena penggunaan ion energi tinggi.

Cakling Penahan

Penggunaan cakling penahan (GR) melayang sebagai terminasi tepi untuk meningkatkan BV adalah metode efektif untuk PND GaN vertikal, untuknya tegangan balik memiliki penurunan tegangan melalui GR untuk meredakan kerumunan medan listrik. Pada saat yang sama, proses pembuatan GR tidak memerlukan langkah khusus, yang sinkron dengan depozi logam anoda. Untuk BV yang lebih tinggi, GR dalam struktur FP diproduksi dalam PND (Gambar 9a), di mana poliimid diatur antara GR dan bagian anoda sebagai perangkat resistif untuk penurunan tegangan lebih lanjut. Karena bagian resistif, peningkatan BV 0,2–0,4 kV hingga maksimum 5,0 kV diperoleh. Dibandingkan PND normal tanpa struktur GR, perangkat dengan GR resistif menunjukkan karakteristik I–V majukan yang serupa dengan R_on 1,25 mΩ cm², tetapi arus kebocoran balik yang lebih rendah dengan BFOM 20 GW/cm² [69].

Selain GR melayang, struktur GR berbasis H-plasma juga diterapkan untuk membentuk terminasi tepi. Selain kerusakan rendah, difusivitas rendah H-plasma dapat menghasilkan profil yang relatif ideal di GaN [89]. Akibat efek pasivasi H-plasma pada GaN p, GaN p konduktif menjadi sangat resistif, dan struktur GR kemudian dibentuk oleh cakling GaN p sangat resistif (Gambar 9b). Lebar GR sempit 1–2 µm dan spasi yang menurun digunakan untuk meningkatkan BV. GR dengan berbagai cakling diukur. PND dengan berbagai cakling memiliki karakteristik majukan yang serupa dengan sekitar 0,65 mΩ cm² dan faktor idealitas 1,65 dibandingkan yang tidak memiliki GR. GR lebih banyak dapat meredakan lebih lanjut medan listrik di tepi perangkat. Jadi, perangkat menunjukkan BV yang lebih tinggi dengan meningkatkan jumlah cakling setelah pengukuran. Akibatnya, PND menunjukkan BV 1,7 kV dengan medan listrik tertinggi 3,43 MV/cm 10 GR [90].

Kelemahan GR adalah tingkat utilizasi area yang rendah, dan struktur GR umumnya memerlukan area yang besar, yang bahkan lebih besar dari anoda. Kemudian, jumlah GR meningkatkan kesulitan desain seperti lebar dan spasi GR. Saat ini, dua atau lebih jenis terminasi tepi diadopsi dalam PND GaN vertikal tunggal untuk BV yang lebih tinggi. Terminasi tepi ini biasanya mencakup FP, meja bevel, dan cakling penahan karena pembuatan yang relatif sederhana. Di sisi lain, terminasi tepi ini tidak dimaksudkan untuk memperkenalkan elemen asing ke dalam kristal GaN relatif terhadap perlakuan ion, fitur yang bermanfaat untuk performa perangkat. Namun, kualitas lapisan epitaksi masih memegang proporsi yang cukup besar.

PND GaN Vertikal pada Substrat Si

Hingga saat ini, meskipun perangkat GaN-on-GaN vertikal menunjukkan performa yang luar biasa, biaya tinggi dan diameter kecil substrat GaN masih menghambat aplikasi pasar skala besar mereka. Pertimbangkan keuntungan skala besar dan biaya rendah substrat Si, perangkat GaN-on-Si telah menarik banyak perhatian pada tahap ini.

Untuk PND quasi-vertikal pada substrat Si, buffer berkualitas tinggi esensial. Dalam [91], seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10a, dengan mengoptimalkan lapisan nukleasi AlN dan proses pertumbuhan berikutnya, lapisan drift GaN dengan kepadatan celurah threading rendah 2,95 × 10⁸ cm⁻² dan mobilitas elektron tinggi 720 cm²/Vs diperoleh. Dengan struktur FP, perangkat memiliki BV 820 V dengan R_on 0,33 mΩ cm².

Selain tantangan ketidaksesuaian materi, lapisan buffer konduktif dan substrat Si adalah dasar untuk PND vertikal penuh pada substrat Si. Dalam Gambar 10b, substrat Si tipe n⁺ pertama kali digunakan sebagai katoda PND vertikal. Kemudian, lapisan AlN tipis dengan dopant Si dan lapisan superjaring tegang GaN/AlN digunakan untuk memfasilitasi performa perangkat [92]. PND vertikal pada substrat Si diusulkan dengan FP, dan BV 288 V terkonfirmasi dengan lapisan drift 1,5 µm. Selain itu, BV lebih tinggi 720 V dalam PND pada Si dengan lapisan drift 5,7 µm dilaporkan dalam Gambar 10c [93]. Berbeda dengan metode substrat Si konduktif, pendekatan kontak ohmik katoda di belakang dibuat dengan terowongan yang mencapai lapisan GaN n⁺ melalui pengilangan selektif substrat Si reguler dan lapisan buffer.

Selain substrat Si konduktif dan kontak ohmik terowongan di belakang, teknologi pengeliminasi substrat adalah metode alternatif untuk memproduksi PND GaN vertikal pada substrat Si. Dalam Gambar 10d, teknologi transfer lapisan digunakan untuk memproses PIND vertikal pada substrat Si. Setelah pengeliminasi substrat Si, transfer, elektroda n, dan pasivasi sisi, perangkat menunjukkan R_on rendah 3,3 mΩ cm² dan BV 350 V [94]. Nilai BFOM tinggi 37,0 MV/cm² dalam PIND menunjukkan bahwa teknologi pengeliminasi substrat adalah cara yang efektif untuk pembuatan PIND berbasis GaN pada substrat Si. Relatif terhadap teknologi lain, proses pembuatan yang lebih rumit dan biaya produksi yang lebih tinggi adalah masalah yang harus diatasi pada bagian pengeliminasi substrat.

Sebagai jalur teknis alternatif, PND pada substrat Si diproduksi dengan struktur perangkat quasi-vertikal atau vertikal. Untuk mengurangi ketidaksesuaian materi yang besar antara substrat Si dan tumpukan epitaksi GaN, teknologi epitaksi yang lebih efektif harus diteliti. Untuk BV yang lebih tinggi, lapisan drift yang lebih tebal juga esensial untuk BV yang lebih tinggi. Fakta ini mempresentasikan masalah kunci lain untuk diteliti karena ketebalan lapisan drift pada substrat Si sekitar 5 µm.

Tantangan Masa Depan dan Kesimpulan

PND vertikal esensial untuk mendapatkan arus tinggi (> 100 A) secara bersamaan dengan tegangan tinggi (> 600 V), yang dapat memenuhi persyaratan beberapa aplikasi termasuk mobil listrik dan pengolahan energi daur ulang. Meskipun kemajuan besar telah dicapai, aplikasi PND GaN vertikal masih menghadapi beberapa hambatan seperti biaya dan keterbatasan teknis.

Untuk substrat FS-GaN, kualitas epitaksi tinggi dengan celurah threading rendah telah dicapai oleh MOCVD umum. Ukuran kecil dan biaya tinggi substrat FS-GaN membatasi aplikasi PND GaN vertikal dalam rentang yang sempit, dan ukuran kecil juga meningkatkan harga GaN. Substrat GaN komersial hanya 2 inci dan jauh lebih kecil daripada substrat SiC 4–6 inci dan Si 8–12 inci. Tantangan utama untuk PND GaN vertikal adalah mencapai kualitas epitaksi tinggi, terutama kualitas tinggi lapisan GaN p dengan konsentrasi lubang tinggi. Akhirnya, PND baru diusulkan dengan mengganti GaN p dengan NiO_x yang disintesis oleh oksidasi termal atau sputtering; performa yang luar biasa juga ditunjukkan sebagai pengganti GaN p dalam PND vertikal dan cakling penahan dalam SBD GaN [95,96,97,98].

PND GaN vertikal, sebagai salah satu perangkat daya paling menjanjikan, ditinjau dan diringkas dalam studi ini. Kemajuan terbaru pada PND GaN vertikal, termasuk perbandingan materi yang berbeda (SiC vs. GaN) dan struktur perangkat yang berbeda (SBD versus PND), pertumbuhan epitaksial materi dan teknik terminasi tepi (terminasi tepi FP, MESA, implos ion dan GR), dibahas. Nilai R_on versus BV oleh berbagai teknik digambarkan dalam Gambar 11. Selain teknologi epitaksi, teknologi terminasi tepi memainkan peran kunci untuk PND GaN vertikal untuk mencapai performa perangkat yang tinggi pada tahap ini. Meskipun kemajuan besar dalam hal performa perangkat, keuntungan PND GaN vertikal masih belum dimanfaatkan sepenuhnya. Karakteristik PND GaN vertikal dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan struktur perangkat dan kualitas epitaksi dalam studi selanjutnya. Kemudian, PND GaN vertikal yang dikomersiialkan akan segera tersedia di masa depan dengan teknik terminasi tepi dan epitaksi yang matang.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang digunakan atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang sesuai atas permintaan yang wajar.

Singkatan

GaN:

nitrida galium

SiC:

karbida silikon

PND:

dioda sambungan PN

PIND:

dioda sambungan P-i-N

SBD:

dioda ambang Schottky

IGBT:

transistor bipolar gate terinsulasi

BJT:

transistor bipolar juncsi

MOSFET:

transistor efek lapangan semikonduktor logam oksida

BFOM:

Baliga's figure of merit

HFET:

transistor efek lapangan heterostruktur

JFET:

transistor efek lapangan juncsi

2DEG:

gas elektron dua dimensi

BV:

tegangan hancur dilekrik

FS:

bebas mandiri

MOCVD:

depozi kimia uap logam organik

MBE:

epitaksi sinar molekul

JBS:

ambang juncsi Schottky

MPS:

gabungan PN Schottky

LED:

dioda memancar cahaya

HVPE:

epitaksi fasa uap hidrida

FP:

bidang plat

TD:

celurah threading

MOVPE:

epitaksi fasa uap logam organik

HEMT:

transistor efek lapangan mobilitas elektron tinggi

UHPA:

pengurai tekanan ultra tinggi

GR:

cakling penahan

ICP:

plasma terpadu induktif

TCAD:

desain komputerisasi teknologi

TMAH:

hidroksoida tetrametilamoni