一種基于等離子體的簡易邊緣終端技術(shù)，成功制備出橫向結(jié)構(gòu) 10 千伏級氮化鎵二極管。

在電力電子領(lǐng)域的一眾半導(dǎo)體技術(shù)中，氮化鎵（GaN）已取得顯著成功。這種材料在需要承受數(shù)百伏電壓、同時實(shí)現(xiàn)極低功耗的場景中，性能無可匹敵。憑借這些優(yōu)勢，氮化鎵功率器件已在各類移動設(shè)備快充領(lǐng)域，確立了 “殺手級” 應(yīng)用地位。

然而，在 1.7 千伏及以上高壓場景 —— 這是電網(wǎng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、電力傳動、高壓電源等應(yīng)用的關(guān)鍵區(qū)間 —— 氮化鎵尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地。目前商用高壓器件包括：硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、晶閘管（最高 6.5 千伏），以及碳化硅（SiC）MOSFET、結(jié)勢壘肖特基（JBS）二極管（最高 10 千伏）。實(shí)驗(yàn)室中，碳化硅晶體管與二極管甚至已實(shí)現(xiàn) 30 千伏耐壓能力。

但硅基與碳化硅器件存在明顯短板。高壓硅基 IGBT 與晶閘管為雙極型器件，同時存在多子與少子導(dǎo)電，開關(guān)頻率低、損耗大。而單極型碳化硅 MOSFET 與 JBS 二極管雖具備同等高壓等級、可實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)頻率，但其商用產(chǎn)品需依賴昂貴碳化硅襯底、生長厚外延層，導(dǎo)致芯片尺寸大、良率低，單片成本居高不下。

氮化鎵高壓化：潛力巨大

提升氮化鎵功率器件耐壓能力，是極具潛力的解決方案。氮化鎵兼具高效率、耐高溫、體積小、散熱需求低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢：相比硅基器件，其禁帶寬度更寬，同等厚度下耐壓更高，或同等耐壓下所需材料更少；可形成高遷移率二維電子氣（2DEG），開關(guān)速度遠(yuǎn)超硅基、碳化硅器件；還可復(fù)用成熟氮化鎵 LED 產(chǎn)線，兼顧性能提升、成本降低與量產(chǎn)可行性。

亞利桑那州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)正研發(fā)無損傷、簡易橫向結(jié)構(gòu)工藝，釋放氮化鎵在高壓場景的潛力。

高壓氮化鎵：橫向 vs 縱向

商用硅基、碳化硅高壓器件普遍采用縱向結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢為電流 / 耐壓能力強(qiáng)、芯片尺寸小、抗表面缺陷、散熱好。

而商用氮化鎵功率器件以橫向高電子遷移率晶體管（HEMT）為主，適配 900 伏以下場景，具備結(jié)電容低、開關(guān)頻率高、損耗小的特點(diǎn)；還可將功率管、驅(qū)動、輔助電路單片集成，大幅縮小電力電子體積、抑制柵振、誤觸發(fā)等寄生效應(yīng)。

氮化鎵領(lǐng)域也在研發(fā)縱向功率器件，已實(shí)現(xiàn) 2–5 千伏耐壓晶體管與 PIN 二極管。但橫向 HEMT 基高壓氮化鎵器件仍極具吸引力：可生長于藍(lán)寶石、硅基等低成本襯底，10 千伏耐壓所需外延層厚度僅為縱向器件的一小部分；目前已成功制備含超結(jié)、多溝道、降低表面電場（RESURF）結(jié)構(gòu)的 10 千伏級原型二極管與晶體管。

高壓器件核心挑戰(zhàn)：電場分布不均

設(shè)計制備 10 千伏級器件，電場分布不均是最大難題，橫向器件中尤為突出：電場易在器件邊緣集中，導(dǎo)致邊緣提前擊穿。

邊緣終端技術(shù)是 10 千伏級器件的必備設(shè)計，作用是平滑電場分布。但現(xiàn)有 10 千伏級氮化鎵器件，在外延結(jié)構(gòu)、邊緣終端、鈍化設(shè)計上均極為復(fù)雜，需額外刻蝕、介質(zhì)沉積、表面處理工藝，良率低、可靠性差、成本高。

簡化邊緣終端：等離子體工藝方案

亞利桑那州立大學(xué)提出簡易等離子體邊緣終端技術(shù)，無需刻蝕、鈍化工藝，適配商用氮化鎵 HEMT 平臺。

核心優(yōu)勢：

• 無刻蝕：避免表面損傷，無需后續(xù)修復(fù)鈍化；

• 無需精密刻蝕：規(guī)避薄膜厚度、均勻性、刻蝕速率波動問題；

• 天然鈍化：無刻蝕帶來低表面損傷，自帶鈍化效果，無需額外處理。

器件結(jié)構(gòu)：厚氮化鎵緩沖層→非摻雜氮化鎵層→氮化鋁隔離層→鋁鎵氮層→非摻雜氮化鎵隔離層→P 型氮化鎵層。

等離子體邊緣終端原理：通過氫等離子體工藝調(diào)控頂層 P 型氮化鎵導(dǎo)電性，形成 “處理區(qū) + 非處理區(qū)” 陣列。利用傳統(tǒng)感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕設(shè)備產(chǎn)生氫等離子體，選擇性注入氫原子至 P 型氮化鎵層；氫原子與鎂受主結(jié)合，形成電荷中性鎂 - 氫復(fù)合物，使處理區(qū) P 型氮化鎵呈高阻態(tài)。

仿真驗(yàn)證：電場優(yōu)化效果

通過 TCAD 仿真驗(yàn)證方案可行性，評估邊緣終端對電場峰值的抑制作用：

• 無終端器件：陽極邊緣存在單一強(qiáng)電場峰值，易擊穿；

• 有終端器件：保留陽極附近部分導(dǎo)電 P 型氮化鎵，電場峰值顯著降低、分布均勻；

• 關(guān)鍵：終端幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)超高耐壓的核心。

器件制備與性能測試

制備圓形陣列結(jié)構(gòu)器件：P 型氮化鎵區(qū)域外采用氫等離子體處理（高阻），內(nèi)部不處理（導(dǎo)電），導(dǎo)電性差異可通過掃描電鏡（SEM）清晰觀測。

器件含 T1、T2、T3 三個陣列區(qū)，陽極→陰極長度遞增；陣列關(guān)鍵參數(shù)：圓間距 ST、橫向間距 DT、圓直徑 RT（T1→T3：ST/DT 0.5μm→2μm，RT 0.75μm 恒定）。制備無終端參考器件作對照。

正向性能

• 開啟電壓：1.1V；

• 理想因子：約 1.5；

• 開關(guān)比：101?；

• 導(dǎo)通電阻：97Ω?mm；

• 終端影響：電流衰減約 15%（未處理 P 型氮化鎵耗盡 2DEG 所致）；

• 穩(wěn)定性：導(dǎo)通電阻隨陽極 - 陰極長度線性增長，正反向掃描穩(wěn)定性佳；

• 電容 / 頻率：0V 電容 4.2pF?mm?1，截止頻率 0.8GHz→8.4GHz（長度 120μm→10μm）。

反向耐壓（核心突破）

• 單區(qū)（T1）終端：DT 越?。▓A密度越高），耐壓越高；DT 過大時，耐壓接近無終端器件；

• 終端長度：LT 越長，電場聚集越強(qiáng)，耐壓越低；

• 耐壓提升：終端器件平均耐壓提升約 3kV；120μm 長度器件，終端耐壓 9.5kV，無終端僅 5.3kV；

• 長度影響：陽極長度影響小，長度越長，終端耐壓提升越顯著。

性能對標(biāo)

與主流橫向 / 縱向氮化鎵、氧化鎵（Ga?O?）肖特基二極管對比：

• 巴利加優(yōu)值（Baliga FOM）：0.79GW?cm?2，與 10 千伏級氮化鎵、超寬禁帶氧化鎵器件相當(dāng)；

• 核心價值：簡易結(jié)構(gòu) + 低成本工藝，實(shí)現(xiàn)頂級性能；技術(shù)可遷移至其他等離子體 / 離子注入工藝。

總結(jié)

該方案為低成本 10 千伏級氮化鎵功率器件提供全新路徑。后續(xù)將開展動態(tài)開關(guān)性能、長期高壓穩(wěn)定性、雪崩能力、封裝測試，推動技術(shù)成熟。