Avances en diodos PN verticales de GaN: Una revisión exhaustiva

Resumen

Como material semiconductor de banda prohibida ancha representativo, el nitruro de galio (GaN) ha atraído creciente atención debido a sus propiedades materiales superiores (ej. alta movilidad electrónica, alta velocidad de saturación electrónica, y campo eléctrico crítico). Los dispositivos verticales de GaN han sido investigados, son considerados como uno de los candidatos más prometedores para aplicaciones de electrónica de potencia, y se caracterizan por la capacidad de alto voltaje, alta corriente y alto voltaje de ruptura. Entre esos dispositivos, el diodo de unión PN vertical basado en GaN (PND) ha sido investigado considerablemente y muestra gran progreso en rendimiento basado en alta calidad de epitaxia y diseño de estructura de dispositivo. Sin embargo, su calidad de epitaxia de dispositivo requiere mejora adicional. En términos de rendimiento eléctrico, el efecto de acumulación de campo eléctrico en el borde del dispositivo es un problema urgente, que resulta en ruptura prematura y limita la liberación de las superioridades del material GaN, pero actualmente se alivia mediante terminación de borde. Esta revisión enfatiza los avances en crecimiento epitaxial de material y técnicas de terminal de borde, seguida de la exploración de los desarrollos actuales de GaN y ventajas potenciales sobre carburo de silicio (SiC) para materiales y dispositivos, las diferencias entre diodos de barrera Schottky (SBD) y PND de GaN en cuanto a mecanismos y características, y las ventajas de dispositivos verticales sobre sus contrapartes laterales. Luego, la revisión proporciona una perspectiva y revela la tendencia de diseño de PND vertical de GaN utilizado para un sistema de potencia, incluyendo PND vertical de GaN incipiente.

Introducción

El consumo global de energía aumenta mucho más rápido que en las últimas décadas debido al rápido crecimiento de la industria y la economía. Por tanto, se requieren tecnologías avanzadas de ahorro de energía para aliviar los problemas de aumento del consumo energético.

Los dispositivos basados en silicio son actualmente el tipo dominante entre dispositivos de potencia [1]. Entre estos dispositivos de potencia, las estructuras de transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) juegan un papel significativo y muestran una tendencia creciente hacia el reemplazo del transistor bipolar de potencia (BJT) y MOSFET desde la invención de los IGBT en 1982 [2]. Presentemente, los IGBT son elementos esenciales de campos electrónicos de potencia para conversión y transmisión [3]. Sin embargo, los dispositivos de potencia basados en silicio han alcanzado sus límites materiales fundamentales hasta la fecha y se utilizan ampliamente en aplicaciones de energía eléctrica.

Dadas sus propiedades sobresalientes, el GaN es uno de los materiales semiconductores de banda prohibida ancha (incluyendo SiC, GaN, Ga₂O₃ y diamante) capaz de fabricar dispositivos de potencia con baja capacitancia y resistencia para un voltaje de ruptura especificado respecto a dispositivos basados en Si. Así, se esperan dispositivos basados en GaN con bajo consumo energético, altas densidades de potencia, y alta eficiencia de conversión para sistemas electrónicos de potencia.

Como se muestra en la Tabla 1, el GaN tiene una figura de mérito de Baliga (BFOM) mucho mayor que el SiC (que ha sido comercializado), característica atribuida a su mayor velocidad de saturación electrónica y mayor campo eléctrico crítico. Sin embargo, el SiC tiene mejor conductividad térmica. Además, el GaN posee mayor movilidad de portadores μ y mayor conductividad térmica, y logró dopaje tanto tipo p como tipo n comparado con Ga₂O₃. Mientras tanto, para el semiconductor de banda prohibida ancha definitivo, el diamante, se debe lograr progreso considerable para alcanzar la etapa práctica. Hasta la fecha, dispositivos basados en GaN, ej. dispositivo de tres terminales (transistores de efecto de campo heteroestructura (HFET) y MOSFET) y dispositivos de dos terminales (SBD y PND) se han convertido en temas clave de investigación, y se ha logrado gran progreso en sus aplicaciones en rectificación de potencia y conversión de potencia.

GaN versus SiC

Desde sus propiedades materiales inherentes, el GaN tiene ventajas ligeramente superiores sobre el SiC, incluyendo una banda prohibida más ancha, mayor campo eléctrico crítico, mayor velocidad de saturación electrónica, y un BFOM 3–4× mejor para dispositivos de potencia [6]. Así, considerando sus características sobresalientes, los dispositivos basados en GaN deberían superar a los basados en SiC. En aplicación práctica, los dispositivos verticales basados en GaN son esenciales para alta densidad de potencia y alta frecuencia de operación (Fig. 1) debido a sus excelentes propiedades materiales.

Como los semiconductores de banda ancha más maduros, los dispositivos SiC han logrado avances notables en la última década y muestran rendimiento prometedor en términos de alto voltaje, baja resistencia específica en estado encendido, y velocidad de conmutación rápida [8]. Dada la base de investigación profunda desde 1980 y sustrato SiC disponible más grande con bajo defecto (< 10⁴ cm⁻²), los SBD y transistores de efecto de campo de unión (JFET) de SiC fueron los primeros dispositivos comercializados basados en SiC desde 2001. Otros dispositivos de potencia basados en SiC incluyendo MOSFET y BJT se desarrollaron exitosamente en el campo de alta tensión y aplicación de potencia y han demostrado rendimiento impresionante [9].

En comparación con SiC, los dispositivos GaN se desarrollaron muy lentamente. Su calidad de material insatisfactoria impide la realización de algunas de sus propiedades teóricamente superiores. Dada la falta de sustrato GaN, la mayoría de estudios sobre dispositivos GaN se basan principalmente en estructura lateral (ej. heteroestructura AlGaN/GaN) en esta etapa. Con su mayor movilidad electrónica de 2000 cm²/V·s (gas electrónico bidimensional (2DEG) en AlGaN/GaN), 1000 cm²/V·s (GaN bulk) y mayor velocidad de saturación de 2,5 × 10⁷ cm/s respecto a contrapartes SiC, los dispositivos AlGaN/GaN son preferidos para aplicaciones de alta frecuencia y tienen baja potencia en vatios respecto a dispositivos SiC [10]. En campos de alta frecuencia, los SBD AlGaN/GaN alcanzan excelentes rendimientos de transporte eléctrico y son más adecuados para aplicaciones de microondas y ondas milimétricas a nivel de vatio [11, 12]. El SBD AlGaN/GaN es un dispositivo representativo para SBD de GaN. La alta movilidad del 2DEG significa que los SBD AlGaN/GaN demuestran enormes ventajas de rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia respecto a SBD verticales y mantienen un bajo voltaje de encendido también. Recientemente, los SBD AlGaN/GaN fueron la base para un circuito rectificador de 5,8 GHz con potencia de entrada de 6,4 W y voltaje de encendido 0,38 V con voltaje de ruptura (BV) de 3000 V [13, 14]. La frecuencia de corte máxima está cerca de 1 THz a 0 V con distancia ánodo-cátodo de 70 nm [15].

Para dispositivos de potencia basados en GaN, el sustrato GaN (GaN bulk) es ideal para crecimiento epitaxial, que podría utilizar tecnología de homoepitaxia para eliminar el desajuste. La baja densidad de dislocación del GaN bulk es esencial para el sustrato epitaxial porque la alta densidad de dislocación puede afectar características de rendimiento como BV, corriente de fuga inversa, volumen de producción, y fiabilidad [16]. Los desarrollos de dispositivos verticales basados en GaN han sido impulsados por el progreso del sustrato GaN en años recientes. Sin embargo, dada la tecnología relativamente inmadura para el tríodo vertical, el diodo vertical de GaN se ha convertido en tema de investigación candente en esta etapa inicial. Comparados con SBD AlGaN/GaN, los SBD verticales de GaN tienen ventajas similares en campos de frecuencia como alta velocidad de conmutación con bajo tiempo de recuperación inversa y baja pérdida de conducción; no obstante, los últimos tienen gran densidad de corriente y menos camino de fuga que los primeros [17, 18].

Han surgido algunos problemas para el sustrato GaN. Primero, los sustratos GaN están disponibles actualmente con densidades de dislocación de 10⁴–10⁶ cm⁻², pero estas densidades son aún mucho mayores que las de sustratos Si y SiC [19]. Segundo, con respecto al tamaño de wafer 4–6 pulgadas y costo razonable (10 euro/cm²) de SiC, el tamaño 2–3 pulgadas y costo relativamente alto (100 euro/cm²) del sustrato GaN inhiben la comercialización y productividad a gran escala de GaN [20]. Aumentar los proveedores, la heteroepitaxia en sustratos extraños (Si, zafiro, o SiC) es una forma alternativa de reducir el costo del sustrato GaN, pero el desafío de desajuste y defectos relativamente altos debe abordarse.

Además de los problemas mencionados en materiales bulk, el desafío para el diodo GaN es lograr alta calidad del material tipo p. Con respecto a las técnicas relativamente avanzadas para formar SiC tipo p por implantación iónica Al, la inmadura tecnología de implantación iónica tipo p y la baja activación de aceptores para GaN tipo p son obstáculos vitales, que limitan el desarrollo de estructura y fabricación de dispositivos basados en GaN. Así, diferentes tipos de estructuras de terminación de borde se proponen para mejorar el rendimiento del diodo GaN y constituyen una parte clave de esta revisión.

Dispositivos verticales basados en GaN sobre sustrato FS

Hasta hace 10 años, la mayoría de diodos GaN, incluyendo SBD y PND, se fabricaban en sustratos extraños formando estructuras de dispositivo laterales o cuasi-verticales debido a la indisponibilidad de sustrato GaN bulk. Los diodos laterales o cuasi-verticales muestran excelentes características eléctricas, pero aún sufren inconvenientes inherentes de la estructura de dispositivo [21]. Primero, el desajuste y defectos son inevitables. Luego, para dispositivos GaN en sustratos extraños, un buffer es esencial entre la capa de deriva GaN y sustrato extraño. Así, la relajación de tensión de la capa buffer causaría curvatura de wafer, lo que reduciría el espesor de las capas epitaxiales GaN [22]. Además, la gran resistencia térmica de frontera (GaN con sustrato) tiene influencia seria en el rendimiento del dispositivo para dispositivos GaN trabajando a alta densidad de potencia [23].

Según el desarrollo de técnicas epitaxiales, el sustrato GaN auto-sostenido (FS-GaN) con baja densidad de dislocación adoptado para dispositivos verticales GaN ha hecho gran progreso. La calidad de material de GaN homoepitaxial sobre sustrato FS-GaN tiene una mejora obvia y muestra potencial para aplicaciones de potencia. Los dispositivos verticales GaN podrían mitigar los inconvenientes de contrapartes laterales GaN. Primero, capas epitaxiales GaN más gruesas pueden crecer sin ningún buffer, y mayor BV (que supera a la de dispositivos laterales GaN) puede obtenerse y determinarse por el espesor de la capa de deriva. Mientras tanto, un campo eléctrico máximo se ubica en la parte interna de dispositivos y está lejos de la superficie del dispositivo (eliminando el efecto de atrapamiento de electrones que generalmente ocurre en dispositivos laterales). Dada la alta calidad del sustrato FS-GaN, los dispositivos verticales GaN se han estudiado desde 2011 [24]. Desde entonces, PND verticales GaN con alto BV y baja resistencia en estado encendido han sido fabricados y logran rendimiento notable.

PND versus SBD

Para aplicaciones prácticas, los diodos son componentes esenciales para conversión e inversión de potencia [25]. Con las distintas propiedades materiales de GaN, los diodos basados en GaN (SBD y PND) exhiben rendimientos notables, que se espera satisfagan los requisitos de aplicaciones de potencia. Como se muestra en la Fig. 2, los PND tienen el alcance más amplio entre dispositivos GaN con estructuras variadas y voltajes de soportar desde 600 a 5000 V, característica que indica escenarios de aplicación más amplios.

Comparados con PND, que no tienen problema de almacenamiento de portadores minoritarios y menor altura de barrera SBD, los SBD GaN presentan bajo voltaje de encendido directo (V_on) y rápida recuperación inversa, y estas características indican que los méritos de SBD se revelan en baja pérdida de conducción/conmutación, operación de alta frecuencia, pero un valor BV menor que el de PND; además, notar que alto voltaje de encendido puede llevar a alta pérdida de conducción y degradar la eficiencia de circuitos y sistemas [27, 28].

En campos de alta potencia, SBD cuasi-verticales o verticales tienen excelentes ventajas sobre SBD AlGaN/GaN [29]. Además, se logra un bajo voltaje de encendido (< 0,5 V) ajustando la altura de barrera con metal de baja función de trabajo. Sin embargo, una baja altura de barrera puede llevar fácilmente a alta corriente de fuga inversa y reducir el BV. Consecuentemente, se proponen variadas estructuras de terminación de borde para mejorar el rendimiento. Mediante la asistencia de variadas tecnologías de terminación de borde [27, 28, 30, 31], se confirma alta densidad de corriente en grado KA/cm² con BV sobre 1 kV. Mientras tanto, los SBD verticales también exhiben gran capacidad para alta frecuencia, como 177–183 GHz y máximo 902 GHz frecuencia de corte a 0 V, característica que se espera para fuentes de potencia en sistemas de comunicación inalámbrica terahercio [12, 32].

Respecto a GaN tipo n, el GaN tipo p crecido por deposición química de vapor organometálica (MOCVD) y epitaxia de haz molecular (MBE) fue introducido usando Mg como aceptor [33]. Comparados con SBD GaN, los PND GaN tienen muchas ventajas, como baja resistencia específica en estado encendido (R_on A) y adecuada estabilidad y capacidad de inhibir corrientes de sobretensión. A pesar del alto voltaje de encendido (> 3 V) y velocidad de conmutación relativamente baja, se obtiene una corriente de fuga ultra-baja debido a la mayor altura de barrera y alto BV. Notar que un BV alto de 0,6 a 5 kV es el rendimiento más destacado para PND basados en GaN. Así, los PND basados en GaN tienen gran potencial como bloques constructivos importantes de sistemas de potencia de próxima generación para aplicaciones de alta potencia, que requieren alta eficiencia y baja pérdida energética [34]. Similar a SBD verticales GaN, las terminaciones de borde para PND GaN también se fabrican para aliviar la acumulación de campo eléctrico alrededor del ánodo, característica que se describirá en detalle más adelante en este artículo.

En dispositivos de potencia, la unión PN también puede tratarse como una estructura de unión novedosa. Para utilizar alto BV con baja corriente de fuga inversa de PND, alto rendimiento de conmutación y bajo voltaje de encendido de SBD al mismo tiempo, estructuras de dispositivo novedosas incluyendo barrera de unión Schottky (JBS) y Schottky PN fusionado (MPS) generan una combinación de SBD y PND por la formación de regiones tipo p en la región de contacto Schottky. Dispositivos JBS o MPS poseen características de conducción directa de SBD y bloqueo inverso de PND y se espera que tengan mejor rendimiento de conmutación y mayor voltaje inverso que PND y SBD convencionales, respectivamente [35].

Además de su aplicación de alta potencia, los PND GaN también se adoptan para dispositivos optoelectrónicos como diodos emisores de luz (LED), fotodetectores, y para detección de llama debido a las bajas corrientes oscuras de unos pocos pA en fotodiodos de unión PN basados en GaN [36, 37].

Propósito de esta revisión

Basado en las propiedades materiales superiores del GaN, los dispositivos basados en GaN han sido investigados ampliamente y utilizados en aplicaciones de electrónica de potencia como uno de los materiales semiconductores más candentes. Entre dispositivos basados en GaN, el PND vertical basado en GaN ha sido explorado considerablemente y muestra excelente BFOM. Las técnicas de terminal de borde también son esenciales para aliviar la acumulación de campo eléctrico alrededor del pad de ánodo.

En esta revisión, los avances en crecimiento epitaxial de material y técnicas de terminal de borde como énfasis principales son seguidos por ilustrar los desarrollos actuales de GaN, las diferencias entre SBD y PND de GaN en términos de mecanismos y características, y las ventajas de dispositivos verticales sobre los laterales. Esta revisión proporciona una perspectiva y revela la tendencia de diseño de PND verticales GaN utilizados para un sistema de potencia, incluyendo PND verticales GaN incipientes. El desarrollo de crecimiento epitaxial correspondiente a una capa diferente en PND verticales GaN se introduce en la Sección 2. Las tecnologías de terminal de borde se exploran en la Sección 3. En la Sección 4, los PND verticales GaN sobre sustrato Si se demuestran como método alternativo. Finalmente, la conclusión y perspectiva de desarrollo futuro de PND verticales GaN se proporcionan.

Crecimiento Epitaxial de Material

Sustrato GaN de PND Verticales

Como proceso epitaxial principal, las capas epitaxiales de dispositivos verticales se crecen actualmente principalmente por MOCVD sobre sustratos GaN conductivos fabricados por epitaxia de fase de vapor de hidruro (HVPE). En esta estructura, la calidad del sustrato afecta directamente la siguiente estructura epitaxial. Muchos mecanismos de fallo en el dispositivo se originan en la calidad de epitaxia del sustrato [38]. Debe obtenerse alta calidad de sustrato GaN conductivo para mejorar aún más el rendimiento I-V directo e inverso, especialmente la corriente de fuga inversa y capacidad de BV.

El sustrato crecido por HVPE ha sido considerado como el método más conveniente para producción en masa debido a su costo relativamente bajo y reproducibilidad. Sin embargo, en etapa temprana, la tecnología de crecimiento inmadura significaba que el sustrato GaN crecido por HVPE tenía alta concentración de portadores de fondo (> 10¹⁹ cm⁻³) y calidad cristalina insatisfactoria. Por tanto, el HVPE no se adoptó para crecer la estructura de dispositivo [39]. Por el rápido desarrollo de tecnología de crecimiento epitaxial, materiales bulk GaN de alta calidad por HVPE se vuelven gradualmente posibles [40, 41]. Además del sustrato, la capa epitaxial parcial en dispositivo ahora puede crecerse por HVPE y puede resultar en mayor uniformidad de corriente y eliminación del macroescalón en la superficie GaN combinando proceso epitaxial HVPE y MOCVD con tecnología libre de carbono comparado con dispositivos crecidos solo por MOCVD [42].

Actualmente, un sustrato GaN comercial con densidad de dislocación mínima menor a 10⁴ cm⁻² está disponible. Los PND verticales GaN sobre sustrato GaN de baja densidad de defectos fueron procesados. Sin embargo, la curvatura de wafer sigue siendo un problema. Como solución prometedora, el método amonotérmico puede lograr un sustrato GaN con mejor calidad epitaxial. Con autoclaves de alta presión y amoníaco supercrítico, la dislocación de hilo puede reducirse significativamente a 10⁴–10⁵ cm⁻² [43]. Usando el método amonotérmico, se reportó una baja resistencia de 0,001 Ω·cm² en sustrato GaN con dopaje n⁺ alto (1 × 10¹⁹–1 × 10²⁰ cm⁻³) así como BV de 3 kV [44]. Sin embargo, el inconveniente del método amonotérmico es la baja tasa de crecimiento de aproximadamente 80–90 μm/día, característica adversa para producción práctica. Mejorar la tasa de crecimiento y mantener alta calidad de material son también direcciones rentables para investigación subsiguiente.

Además del sustrato GaN comercial, algunos sustratos también se investigaron para rendimientos distintivos, incluyendo sustratos no plano Ga (c-plano). Generalmente, un sustrato Ga-polar (c-plano) se emplea para dispositivo vertical GaN. Luego, las siguientes capas epitaxiales muestran un efecto de polarización drástico. Sin embargo, en dirección opuesta a las contrapartes Ga-polar, las capas homoepitaxiales a lo largo de la dirección N-polar demuestran propiedades de dispositivo únicas debido a la mayor temperatura de descomposición y propiedad dependiente de polaridad [45, 46]. Con sustrato FS-GaN monocristalino N-polar, se logró un campo eléctrico de 2,2 MV/cm sin ninguna terminación de borde, así como BV de 2,4 kV con tratamiento de plasma N₂O y placa de campo (FP) [46, 47]. Como otro sustrato GaN especial, el m-plano también atrae amplia atención dada su propiedad no polar para la cual Ga:N era 1:1 en m-plano respecto a solo Ga en c-polar y solo N en sustratos N-polares. Con este sustrato GaN no polar, se reportaron características de PND con campo eléctrico crítico de 2,0 MV/cm y alta relación encendido/apagado sin FP o terminación de borde [48].

Técnicas Epitaxiales N-GaN

Antes de la existencia de sustratos GaN conductivos de alta calidad, los PND GaN se fabricaban principalmente en sustratos extraños incluyendo Si, SiC, y zafiro. Por tanto, la estructura de dispositivos siempre se limitaba a laterales. Se propuso un método basado en estructura lateral para mejorar la calidad epitaxial. Dada la baja dislocación de hilo (TD) en la región de ventana en dispositivos laterales, la capa epitaxial GaN crecida lateralmente a través de la máscara puede lograr una densidad TD mucho menor. Así, se realizó sobrecrecimiento epitaxial lateral para crecer la capa epitaxial GaN en sustrato zafiro para PND laterales. La corriente de fuga inversa se suprimió en tres órdenes de magnitud [49].

Con el desarrollo de tecnología epitaxial, sustratos GaN monocristalinos de alta calidad con densidades de dislocación de 3 × 10⁻⁶ cm⁻² se volvieron disponibles, y los PND GaN se fabricaron en sustratos GaN. Combinados con capas epitaxiales superiores crecidas por MOCVD, los dispositivos muestran baja corriente de fuga y alto BV de 600 V a 4 kV correspondiente a espesor de deriva de 6 a 40 μm [16, 50]. Respecto al dispositivo en sustrato zafiro, la corriente de fuga inversa y BV mejoraron significativamente [51].

Con el sustrato GaN nativo, no suele ocurrir capa buffer especial en la estructura epitaxial de PND como en sustrato extraño. El efecto de la capa buffer en el PND sobre sustrato GaN se investigó como referencia. La existencia de capa buffer significa que la capa de deriva tiene menor densidad de defectos. Mientras tanto, un BV más alto puede obtenerse con capa de deriva más delgada pero capa buffer más gruesa. La corriente de fuga inversa del dispositivo mejoró también. Estos parámetros de dispositivo exhiben fuerte relación con el espesor de la capa buffer, que tiene ligero efecto en las características directas del dispositivo [52].

Las capas epitaxiales superiores se depositan por MOCVD, epitaxia de fase de vapor organometálica (MOVPE), y MBE, como se discute en esta porción. La estructura epitaxial de PND incluye una capa GaN n⁺ altamente dopada y una capa de deriva n⁻-GaN entre el sustrato y p-GaN (Fig. 3). La capa GaN n⁺ altamente dopada actúa como capa de transición en el sustrato GaN conductor en algunos reportes.

En general, el BV determina los escenarios de aplicación de dispositivos. Por ejemplo, el BV más alto para un dispositivo SiC respecto al de GaN permite al dispositivo SiC ser utilizado en aplicaciones de alta potencia y alto voltaje como vehículos eléctricos y trenes bala (Fig. 1). Similarmente, los diodos PN se aplican usualmente en voltajes más altos respecto al diodo Schottky y HEMT. En PND, el BV es principalmente soportado por la capa de deriva (capa n⁻-GaN ligeramente dopada) con el ensanchamiento de la región de agotamiento (representado en Ec. 1 con voltaje aplicado V para el cual V es positivo/negativo para polarización directa/inversa cuando el dispositivo está bajo polarización inversa. Además, la ruptura ocurre con aumento adicional de la polarización inversa.

[Ecuación 1: Ancho de agotamiento W_D = √(2ε_s(V_bi - V)/q * (N_A + N_D)/(N_A N_D))]

Donde S, q, V_bi, N_D, y N_A son el área de la unión, carga electrónica, potencial built-in, concentración de donadores, y concentración de aceptores, respectivamente [53].

Según el ancho de agotamiento, los dispositivos pueden dividirse en non-punch-through [W_D > W_Dm (W_Dm: ancho máximo de capa de agotamiento)] y punch-through (W_D < W_Dm). Dados los problemas de estructura epitaxial y borde, la mayoría de dispositivos verticales GaN caen bajo tipo punch-through, es decir, sus regiones de agotamiento se expanden más allá de toda la capa n⁻-GaN y alcanzan el sustrato n⁺-GaN antes de la ruptura.

Además, como se describe en Ec. (2), el BV puede aumentarse incrementando el espesor y disminuyendo la concentración de dopaje tipo n de la capa de deriva.

[Ecuación 2: BV = E_C t - q N_D t² / (2 ε_0 ε_r)]

Donde E_C, q, t, N_D, y ε_r son el campo eléctrico crítico, carga electrónica, espesor de capa n⁻-GaN, concentración neta de portadores de la capa n⁻-GaN, y permitividad del semiconductor, respectivamente [54]. Afortunadamente, la experiencia indica que una capa de deriva con mayor espesor y menor dopaje contribuye solo a un ligero aumento de resistencia en estado encendido en conducción directa.

Comparado con aumentar el BV incrementando el espesor de la capa de deriva, disminuir la concentración de dopaje tipo n en la capa n⁻-GaN es actualmente difícil, debido a las altas concentraciones de fondo incluyendo Si, O, etc. Para mayor disminución de la concentración de dopaje en la capa n⁻-GaN, se investiga la concentración de dopaje no intencional. Muchos grupos de investigación introdujeron una capa i-GaN nominal aproximada 10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³ contactando p-GaN para formar estructura p-i-n y mejorar el BV de diodos [55].

Ciertamente, la precondición de estas medidas es una alta calidad epitaxial de la capa de deriva porque las TD pueden aumentar la fuga en estado apagado y degradar las propiedades de BV [56].

Para mejorar aún más la calidad epitaxial de la capa de deriva en PND verticales GaN, el crecimiento por MBE se investigó en sustrato GaN. Se obtuvo corriente de fuga menor a 3 nA/cm² y campo eléctrico de 3,1 MV/cm por la muy baja densidad de dislocación. Los rendimientos de ruptura casi ideales indican que el MBE es un método efectivo para crecer capas epitaxiales en PND verticales GaN [56]. Sin embargo, similar al crecimiento amonotérmico, la tasa epitaxial es otra desventaja.

Epitaxia P-GaN

El P-GaN, componente importante en PND verticales GaN, fue reportado en 1989 desde la aparición de GaN por HVPE en 1969 [57, 58]. Se utilizó primero para obtener LED azul. Luego, el p-GaN se empleó gradualmente en campo de dispositivos eléctricos como dispositivos normally-off y PND. En PND verticales GaN, el p-GaN constituye dopaje ligero (~10¹⁹ cm⁻³) y pesado (≥ 10²⁰ cm⁻³), que corresponden a formar una capa de unión PN con la capa de deriva y facilitar contactos óhmicos como electrodo de ánodo.

Generalmente, el crecimiento epitaxial de p-GaN se fabrica por MOCVD a temperatura ~1000 °C y adopta Mg²⁺ como aceptor. Luego, la capa p-GaN crecida debe activarse a altas temperaturas de 700–800 °C en ambiente N₂ o 400 °C en ambiente O₂, facilitando una concentración de huecos relativamente alta [59-61]. Sin embargo, la alta energía de ionización de 150–200 meV del enlace Mg-H significa una tasa de activación de p-GaN de solo 1–3%. Una baja tasa de activación también está relacionada con la temperatura. Los dopantes Mg pueden re-pasivarse a altas temperaturas ≥ 600 °C en ambiente NH₃ o hidrógeno [62]. Para mejorar la concentración de huecos, solo aumentar la concentración de dopaje no es factible porque una mayor concentración de dopaje en p-GaN podría llevar a deterioro de la calidad cristalina de la capa y reducir la densidad de huecos a través de un efecto de auto-compensación [63]. Presente, un pico de densidad de huecos usualmente puede lograrse en concentración de aceptor de aproximadamente 3 × 10¹⁹ cm⁻³ [64]. Aunque existan algunos problemas para p-GaN, los reportes de investigación relacionados no son muchos. Puede atribuirse a dos razones. Una es las limitaciones de propiedades intrínsecas del material y equipo epitaxial. Otra es que el presente p-GaN también puede obtener rendimiento de dispositivo comparativo.

Sin embargo, la optimización de condiciones de crecimiento y proceso epitaxial novedoso aún se investigan. Por ejemplo, en 2017, se propuso p-GaN re-crecido no activado por MBE y tiene ventaja sobre MOCVD. Con ambiente de crecimiento bajo en hidrógeno, se lograron BV de 1,1 kV y factor de idealidad de 2,5 por PND verticales GaN fabricados [65]. Otro interesante método de fabricación p-GaN es implantación iónica Mg con proceso de recocido a ultra-alta presión (UHPA). Los resultados revelan que se logró alta ratio de activación de 70% y movilidad de huecos de 24,1 cm²V⁻¹s⁻¹ con recocido post-implante a temperatura de 1573–1753 K en presión N₂ de 1 GPa. Este resultado es comparable con el de crecimiento epitaxial por MOCVD [66].

En conclusión, para sustrato, el sustrato GaN comercial de bajo defecto está ahora disponible. Mientras tanto, la tecnología epitaxial aún se desarrolla, situación que afecta fuertemente el rendimiento de dispositivos. En comparación con MOCVD, el MBE puede lograr excelente calidad epitaxial, resultando en gran rendimiento de dispositivo sin ninguna terminación de borde. Sin embargo, su lenta tasa de crecimiento y alto costo hacen al MBE inadecuado para productividad a gran escala. El crecimiento epitaxial por MOCVD sigue siendo el principal método productivo en práctica. Así, mejorar la calidad de capas epitaxiales crecidas por MOCVD es un problema urgente, que tomaría considerable tiempo. Por tanto, se proponen diseño avanzado de estructura de dispositivo o medidas para gran rendimiento en esta etapa.

Técnicas de Terminación de Borde

Para PND verticales GaN, el BV es un parámetro importante. Casi todas las investigaciones sobre PND verticales GaN se centran en mejorar el voltaje de soportar en inversa (es decir, BV). Sin embargo, debido a la acumulación de campo eléctrico en el borde de la unión PN, el borde de la capa de agotamiento, o el borde del electrodo, a menudo ocurre ruptura prematura. Por tanto, para reducir la acumulación de campo eléctrico del dispositivo, se desarrollan diseños avanzados de estructura de dispositivo (es decir, técnicas de terminación de borde). Variadas técnicas de terminación de borde han sido adoptadas para relajar la acumulación de campo eléctrico en el borde de PND GaN para un BV más alto. Estas técnicas incluyen principalmente placa de campo (FP), implantación iónica y tratamiento de plasma, y grabado mesa en ángulo o escalones variados y anillos de guarda (GR) [49, 67-69]. Estas características se discuten en esta sección.

Placas de Campo Metálicas

La FP se ha utilizado ampliamente en dispositivos basados en GaN para transferir el campo eléctrico pico lejos del borde de la compuerta, ánodo, o unión. Este método tiene característica idéntica para relajar la intensidad del campo eléctrico en el borde PN bajo polarización inversa. Además, baja corriente de fuga y alto voltaje de ruptura bajo voltaje inverso pueden lograrse usando terminación FP, que tiene un proceso de fabricación relativamente simple también.

Los méritos de la estructura FP incluyen proceso de fabricación simple y compatibilidad con el proceso de dispositivo. Simultáneamente, la capa dieléctrica de FP es también la capa de pasivación del dispositivo. Como la terminación de borde más temprana y ampliamente usada para PND verticales GaN, la terminación FP no extendida se usó inicialmente, como se muestra en Fig. 4a. Para fabricar la estructura FP, se procesaron estructuras mesa por grabado seco de plasma acoplado inductivamente (ICP). Luego, para suprimir corrientes de fuga parásitas por daño de plasma, se depositó una película dieléctrica de pasivación sobre todo el electrodo de ánodo y toda la estructura mesa [70].

Para relajar aún más la acumulación de campo eléctrico en la periferia del borde de la unión PN, se utilizó el metal extendido de la FP para cubrir toda la mesa para reducir la corriente de fuga inversa y elevar el BV [71]. Esta estructura FP optimizada ahora se emplea ampliamente en fabricaciones de PND verticales GaN. Como se muestra en Fig. 4b, el BV se elevó sobre 3 kV con estructura FP extendida. Mientras tanto, la corriente de fuga inversa también se suprimió a un nivel bastante bajo a voltaje inverso de 3 kV.

Como componente esencial de la estructura FP, la capa de pasivación tiene impacto considerable en las características del dispositivo. Así, una capa de pasivación apropiada es esencial. Se propuso una capa de pasivación con permitividad high-k por simulación, y flujo de corriente inversa uniforme también puede obtenerse [50]. Según esta teoría, se reportaron PND verticales GaN con terminación FP usando Ga₂O₃ (permitividad dieléctrica de 10) como película de pasivación. El BV tuvo gran mejora de 200 a 550 V, revelando que una película de permitividad high-k como Ga₂O₃ es prometedora como película de pasivación de terminación FP en PND verticales GaN para elevar características de dispositivo [72]. Sin embargo, surgen algunos deméritos para terminación FP. El problema principal es el defecto durante la deposición de capa dieléctrica e interfaz entre dieléctrico y GaN, que resultan en atrapamiento de portadores. Estos llevarían a inestabilidad de rendimiento de dispositivo durante uso a largo plazo. Por tanto, el proceso de deposición optimizado de la capa dieléctrica debe investigarse.

Terminación Mesa

El grabado mesa es un paso indispensable para aislar dispositivos adyacentes en la fabricación de dispositivos planares basados en GaN. Dado el proceso simple, esta estructura es popular para procesos de PND verticales GaN. Aparte de un campo eléctrico uniforme en el borde de la unión PN, un alto BV con características no destructivas y de avalancha puede lograrse en PND. Por ejemplo, una estructura mesa simple pero profunda puede obtener gran rendimiento. Como se muestra en Fig. 5a, con más de 10 μm de profundidad de estructura mesa en PND verticales, se confirmaron BV no destructivo y características de avalancha [73].

Las estructuras mesa novedosas se investigan como se muestra en Fig. 5b. Una estructura multi-mesa (dos-mesa) se adoptó en PND verticales. Respecto a la estructura mesa simple común, la estructura dos-mesa puede desplazar el campo eléctrico pico del borde de la unión PN a debajo del p-GaN adelgazado en la mesa superior debido a la depleción total de huecos en la capa p-GaN adelgazada. Un alto BV de 4,7–4,8 kV con característica no destructiva se logró exitosamente por la estructura dos-mesa. Capacidad de avalancha se obtuvo sin reducir las características I-V directas [74]. Por otro lado, la estructura dos-mesa tiene función idéntica para PIND cuasi-verticales [75]. El BV se mejoró de 665 a 835 V con baja corriente de fuga simultáneamente.

Además de la estructura mesa perpendicular común, una estructura mesa con bisel negativo se propuso recientemente para mitigar la acumulación de campo eléctrico en el borde de la unión PN. Con la mesa biselada negativa, el campo eléctrico en el borde tiene tendencia decreciente cuando el ángulo de bisel θ se reduce desde 90°. El campo eléctrico pico se transferiría al interior del dispositivo. En [76], investigación experimental mostró que estructura mesa biselada (Fig. 6a) podría inducir BV mayor a 3 kV y baja corriente de fuga respecto a BV de 3 kV en PND con mesa vertical usando la misma estructura FP. Investigación adicional se realizó por simulación usando diseño asistido por computadora (TCAD). En PND verticales GaN con mesa biselada (Fig. 6b), el campo eléctrico máximo fue determinado por la concentración de aceptores N_A en p-GaN, concentración de donadores N_D en capa de deriva n⁻-GaN, y θ de la mesa biselada. Por análisis teórico y simulación, el menor θ podría llevar a mayor E_pp (campo de ruptura plano-paralelo). Al mismo tiempo, un p-GaN ligeramente dopado es beneficioso para lograr alto BV para un θ fijo de la mesa biselada. Tomando θ = 10° como ejemplo, los resultados experimentales apoyan estos hallazgos. Se logró un campo de ruptura plano-paralelo de 2,86 MV/cm, y este resultado es consistente con la simulación [77].

Similar a terminación FP, el grabado seco y/o aislante (o película de pasivación) se requiere en proceso de terminación de borde. Así, el daño del grabado seco debe considerarse y puede causar alta corriente de fuga inversa, incluso ruptura prematura. Al mismo tiempo, es alta demanda para equipo de grabado para precisión de grabado, y la profundidad de grabado es difícil de controlar. Mientras tanto, la existencia de daño genera un estado de interfaz más complicado entre el aislante y el semiconductor grabado, situación que afectaría la fiabilidad del dispositivo. Consecuentemente, reducir o aliviar el daño es un problema inevitable. Ahora, algunas recetas (ej. hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) y recocido post-que tienen características de remover daño por grabado húmedo y reparar daño de grabado seco, respectivamente) se han adoptado para tratar superficie grabada y mejorar rendimiento.

Tratamiento Iónico

La implantación iónica se empleó para aliviar la concentración de campo eléctrico cerca del borde. Como estructura de terminación relativamente simple, se investigó una técnica basada en implantación en dispositivos GaN, que incluye especies compensadoras (ej. O, H, y Zn) o especies inertes (ej. Ar, N, He, y Kr) para crear trampas de nivel profundo en regiones de terminación [78-82]. Recientemente, para moderar la ocurrencia de ruptura prematura en PND verticales GaN, la terminación implantada iónicamente (ej. N, F, Mg, y H) también se utiliza. Sin embargo, los mecanismos de estas terminaciones implantadas iónicamente son diferentes.

Respecto a SBD verticales GaN [83], la implantación N en PND verticales GaN revela un mecanismo diferente, que implica crear defectos tipo donante (vacancia N e intersticial N) para compensar dopantes tipo p. Tras procesar por implantación N como se muestra en Fig. 7a y b, la conductividad de p-GaN puede reducirse o eliminarse (aislante) por implantación N [53]. Para mejorar aún más el BV, se propuso una capa no completamente compensada, es decir, una capa completamente compensada acoplada con una contraparte parcialmente compensada en p-GaN. Así, se esperaba un BV más alto, y el mecanismo se analizó por simulación [84]. Los resultados experimentales muestran que implantación N con p⁺-GaN parcialmente compensado podría inducir BV de 1,68 kV sin comprometer las características directas [85].

La terminación de borde por plasma de hidrógeno (H-plasma) también puede reducir la conductividad de p-GaN, pero con otro mecanismo. El tratamiento H-plasma es un método de pasivación efectivo para transformar el p-GaN conductor en uno altamente resistivo debido al fuerte enlace Mg-H en p-GaN. En contraste a implantación N, el tratamiento H-plasma es más apropiado para uso en PND verticales GaN debido al bajo daño, baja temperatura, y operación simple involucrada. Como se muestra en Fig. 8a, los PND exhibieron un campo eléctrico de 3,0 MV/cm con solo el tratamiento H-plasma. Simultáneamente, los dispositivos mostraron características I-V directas comparables y una corriente de fuga inversa más baja [86].

Al mismo tiempo, el ion flúor (F) también tiene la capacidad de modular el campo eléctrico pico debido a las cargas fijas negativas cuando el dispositivo está bajo polarización inversa. No obstante, si la terminación de borde implantada F se lleva a cabo en PIND verticales GaN, se necesita diseño estricto y optimización estructural [87].

Además de la implantación N, H, y F como terminaciones de borde, la implantación iónica Mg también es un método alternativo para convertir el estado de superficie/interfaz, que se origina del daño de grabado seco ICP. Una novedosa implantación iónica Mg acoplada con mesa fosa se adoptó recientemente para compensar el daño tipo donante para PND verticales GaN (Fig. 8b). Luego, se logró BV de 1,5 kV con R_on específico de 0,7 mΩ·cm² [88].

La terminación por implantación iónica es un método efectivo para alto BV en PND verticales GaN. El proceso de implantación iónica también es relativamente simple. Sin embargo, ocurre daño cristalino durante implantación iónica de alta energía. Además, recocido post a alta temperatura se requiere en algunas terminaciones de implantación iónica para aliviar el daño cristalino. El perfil de implantación iónica rectangular es perseguido, por lo que la profundidad de implantación debe controlarse exactamente. Finalmente, aunque el proceso de implantación iónica es simple, el equipo necesario es costoso debido al uso de iones de alta energía.

Anillos de Guarda

El uso de anillos de guarda (GR) flotantes como terminación de borde para mejorar BV es un método efectivo para PND verticales GaN, para el cual el voltaje inverso tiene una caída de voltaje sobre el GR para relajar la acumulación de campo eléctrico. Al mismo tiempo, el proceso de fabricación de GR no requiere paso especializado, que es sincrónico con la deposición de metal de ánodo. Para un BV más alto, un GR en la estructura FP se fabricó en los PND (Fig. 9a), en el cual poliamida se puso entre el GR y la porción de ánodo como dispositivo resistivo para una caída de voltaje adicional. Debido a la porción resistiva, un BV incremental de 0,2–0,4 kV hasta un máximo de 5,0 kV se obtuvo. Comparado con PND normales sin estructura GR, el dispositivo con GR resistivo exhibió características I-V directas similares con R_on de 1,25 mΩ·cm², pero una corriente de fuga inversa más baja con BFOM de 20 GW/cm² [69].

Además del GR flotante, la estructura GR basada en H-plasma también se aplicó para formar la terminación de borde. Además del bajo daño, la baja difusividad de H-plasma podría resultar en perfil relativamente ideal en GaN [89]. Debido al efecto de pasivación del H-plasma en p-GaN, el p-GaN conductor se vuelve altamente resistivo, y la estructura GR se formó subsecuentemente por el anillo p-GaN altamente resistivo (Fig. 9b). Se usaron ancho de GR estrecho de 1–2 μm y espaciado decreciente para mejorar el BV. Se midieron estructuras GR con anillos variados. Los PND con anillos variados tienen características directas similares con ~0,65 mΩ·cm² y factor de idealidad de 1,65 comparados con aquellos sin GR. Más GRs podrían relajar aún más el campo eléctrico en el borde del dispositivo. Así, los dispositivos exhibieron un BV más alto al aumentar el número de anillos tras medición. Consecuentemente, los PND mostraron BV de 1,7 kV con el campo eléctrico más alto de 3,43 MV/cm con 10 GRs [90].

La desventaja de GR es su baja tasa de utilización de área, y la estructura GR generalmente requiere un área grande, que es incluso mayor que el ánodo. Luego, la cantidad de GR eleva la dificultad de diseño como el ancho y espaciado del GR. Presente, dos y más tipos de terminación de borde se adoptan en PND verticales GaN individuales para un BV más alto. Estas terminaciones de borde típicamente incluyen FP, mesa biselada, y anillos de guarda debido a las fabricaciones relativamente simples. Por otro lado, estas terminaciones de borde no pretenden introducir elemento extraño en el cristal GaN respecto a tratamiento iónico, característica que es beneficiosa para el rendimiento del dispositivo. Sin embargo, la calidad de capas epitaxiales aún ocupa una proporción considerable.

PND Verticales GaN sobre Sustrato Si

Hasta la fecha, aunque los dispositivos verticales GaN-sobre-GaN exhiben excelente rendimiento, el alto costo y pequeño diámetro de sustratos GaN aún impiden sus aplicaciones de mercado a gran escala. Considerando el mérito de gran escala y bajo costo de sustrato Si, los dispositivos GaN-sobre-Si han atraído considerable atención en esta etapa.

Para el PND cuasi-vertical sobre sustrato Si, buffer de alta calidad es esencial. En [91], como se muestra en Fig. 10a, optimizando la capa de nucleación AlN y el proceso de crecimiento sucesivo, se obtuvo una capa de deriva GaN con baja densidad de dislocación de hilo de 2,95 × 10⁸ cm⁻² y alta movilidad electrónica de 720 cm²/V·s. Con la estructura FP, el dispositivo tiene BV de 820 V con R_on de 0,33 mΩ·cm².

Además del desafío de desajuste de materiales, la capa buffer conductiva y sustrato Si son fundamentales para PND totalmente verticales sobre sustrato Si. En Fig. 10b, un sustrato Si tipo n⁺ se utilizó primero como cátodo de PND verticales. Subsecuentemente, la capa AlN delgada dopada Si y capa superred GaN/AlN tensionada se emplearon para facilitar el rendimiento del dispositivo [92]. PND verticales sobre sustrato Si se proponen con FP, y se confirma BV de 288 V con capa de deriva de 1,5 μm. Además, se reporta BV más alto de 720 V en PND sobre Si con capa de deriva de 5,7 μm en Fig. 10c [93]. A diferencia del método de sustrato Si conductivo, el contacto óhmico de cátodo en la parte trasera se hizo por una zanja, que alcanza la capa n⁺-GaN a través de la remoción selectiva de sustrato Si regular y capa buffer.

Además del sustrato Si conductivo y contacto óhmico en zanja en la parte trasera, la tecnología de remoción de sustrato es un método alternativo para producir PND verticales GaN sobre sustratos Si. En Fig. 10d, una tecnología de transferencia de capa se usa para procesar PIND verticales sobre sustrato Si. Tras remoción de sustrato Si, transferencia, electrodo n, y pasivación de pared lateral, los dispositivos exhiben R_on bajo de 3,3 mΩ·cm² y BV de 350 V [94]. El alto valor BFOM de 37,0 MV/cm² en PIND demuestra que la tecnología de remoción de sustrato es una vía efectiva para fabricación de PIND basados en GaN sobre sustratos Si. Relativo a otras tecnologías, sin embargo, el proceso de fabricación más complicado y mayor costo de producción son problemas que deben abordarse durante la parte de remoción de sustrato.

Como ruta técnica alternativa, los PND sobre sustratos Si se fabrican con estructuras de dispositivo cuasi-verticales o verticales. Para mitigar el desajuste material sustancial entre el sustrato Si y pilas epitaxiales GaN, una tecnología epitaxial más efectiva debe investigarse. Para un BV más alto, capa de deriva más gruesa también es esencial para un BV más alto. Este hecho presenta otro problema clave a investigar porque el espesor de la capa de deriva sobre sustrato Si es aproximadamente 5 μm.

Desafíos Futuros y Conclusión

Los PND verticales son esenciales para obtener simultáneamente alta corriente (> 100 A) con altos voltajes (> 600 V), que pueden cumplir requisitos de varias aplicaciones incluyendo vehículos eléctricos y procesamiento de energía reciclada. A pesar del gran progreso logrado, las aplicaciones de PND verticales GaN permanecen varias barreras como costo y limitaciones técnicas.

Para sustrato FS-GaN, alta calidad epitaxial con baja dislocación de hilo ha sido lograda por MOCVD común. El pequeño tamaño y alto costo del sustrato FS-GaN confinan las aplicaciones de PND verticales GaN dentro de un rango estrecho, y el pequeño tamaño también eleva el precio del GaN. El sustrato GaN comercial es solo de 2 pulgadas y es mucho menor que sustratos SiC de 4–6 pulgadas y Si de 8–12 pulgadas. El desafío primario para PND verticales GaN es lograr alta calidad epitaxial, especialmente alta calidad de la capa p-GaN con alta concentración de huecos. Recientemente, nuevos PND se proponen mediante reemplazo de p-GaN con NiO_x sintetizado por oxidación térmica o sputtering; gran rendimiento también se demuestra como reemplazo de p-GaN en PND vertical y anillo de guarda en SBD GaN [95-98].

Los PND verticales GaN, como uno de los dispositivos de potencia más prometedores, son revisados y resumidos en este estudio. Los progresos recientes en PND verticales GaN, incluyendo comparación de diferentes materiales (SiC vs. GaN) y diferentes estructuras de dispositivo (SBD versus PND), crecimiento epitaxial de material y técnicas de terminación de borde (FP, MESA, terminaciones de borde implantadas iónicamente y GR), se discuten. Los valores de R_on versus BV por tecnologías variadas se grafican en Fig. 11. Aparte de las tecnologías epitaxiales, las tecnologías de terminación de borde juegan un papel clave para PND verticales GaN para lograr alto rendimiento de dispositivo en esta etapa. A pesar de su gran progreso en términos de rendimiento de dispositivo, las ventajas de PND verticales GaN permanecen sub-explotadas. Las características de PND verticales GaN podrían promoverse optimizando la estructura de dispositivo y calidad epitaxial en estudios sucesivos. Entonces, PND verticales GaN comercializados estarán pronto disponibles en el futuro con técnicas de terminación de borde y epitaxiales maduras.