氮化镓表面修复实现低开启电压全垂直GaN-on-SiC PiN二极管

针对GaN-on-SiC PiN二极管因高温退火导致氮空位缺陷、开启电压升高的问题，研究人员提出了一种与SiC欧姆接触工艺兼容的GaN表面修复方法。通过在NH3/N2氛围中同步退火，既形成SiC欧姆接触又修复GaN表面氮空位，将器件开启电压降至2.7 V，比表面积电阻（Ron,sp）达1.35 mΩ·cm2，为GaN/SiC混合器件性能优化提供新思路。

　　

论文解读
在功率电子器件领域，氮化镓（GaN）因其宽禁带特性被誉为“第三代半导体”，但全垂直结构GaN器件面临异质衬底成本高、工艺兼容性差等挑战。碳化硅（SiC）衬底因与GaN晶格失配小，成为理想选择，但SiC欧姆接触需900–1000°C高温退火，导致GaN表面分解产生氮空位（V_N），显著增加p-GaN接触势垒和器件开启电压（V_on）。北京工业大学团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，提出一种与SiC工艺协同的GaN表面修复策略，将V_on降至2.7 V，接近GaN同质外延器件水平。

关键技术方法
研究采用超薄AlGaN缓冲层在SiC上外延生长全垂直GaN PiN二极管结构，包含n⁺-GaN（1 μm）、n^--GaN漂移层（2.5 μm，[Si]~4×10¹⁶ cm^-3）、p⁺-GaN（400 nm，[Mg]~4×10¹⁹ cm^-3）及p⁺⁺-GaN接触层（25 nm）。通过对比真空退火与NH₃/N₂退火的TLM（传输线模型）测试，验证氮空位修复效果，并结合F离子注入终端（FIT）提升击穿电压。

研究结果
实验设计
设置四组样品：A组（原始GaN）、B组（SiO₂保护+真空退火）、C组（B组+KOH湿法刻蚀）、D组（NH₃/N₂退火）。TLM显示D组接触电阻恢复至未损伤状态，证明NH₃/N₂退火可同步实现SiC欧姆接触与GaN修复。

电学特性
修复后PiN二极管V_on从2.9 V降至2.7 V，R_on,sp达1.35 mΩ·cm2（@1 kA/cm2），击穿电压330 V。XPS分析表明NH₃/N₂退火减少了GaN表面的Ga₂O₃和V_N相关峰。

结论与意义
该研究创新性地将SiC欧姆接触工艺转化为GaN修复手段，解决了传统湿法刻蚀或等离子体处理破坏器件完整性的问题。2.7 V的V_on显著降低导通损耗，为GaN/SiC混合器件（如HEMT-二极管集成）提供工艺基础。作者Yufei Yang等强调，该方法无需额外步骤即可兼容现有产线，对推动高性价比垂直功率器件产业化具有重要价值。