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

在電力電子領域的一眾半導體技術中，氮化鎵（GaN）已取得顯著成功。這種材料在需要承受數百伏電壓、同時實現極低功耗的場景中，性能無可匹敵。憑借這些優勢，氮化鎵功率器件已在各類移動設備快充領域，確立了 “殺手級” 應用地位。

然而，在 1.7 千伏及以上高壓場景 —— 這是電網、風力渦輪機、電力傳動、高壓電源等應用的關鍵區間 —— 氮化鎵尚未實現商業化落地。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、結勢壘肖特基（JBS）二極管（最高 10 千伏）。實驗室中，碳化硅晶體管與二極管甚至已實現 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電，開關頻率低、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、可實現更高開關頻率，但其商用產品需依賴昂貴碳化硅襯底、生長厚外延層，導致芯片尺寸大、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、穩定性強等優勢：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），開關速度遠超硅基、碳化硅器件；還可復用成熟氮化鎵 LED 產線，兼顧性能提升、成本降低與量產可行性。

亞利桑那州立大學團隊正研發無損傷、簡易橫向結構工藝，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構，優勢為電流 / 耐壓能力強、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，具備結電容低、開關頻率高、損耗小的特點；還可將功率管、驅動、輔助電路單片集成，大幅縮小電力電子體積、抑制柵振、誤觸發等寄生效應。

氮化鎵領域也在研發縱向功率器件，已實現 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、多溝道、降低表面電場（RESURF）結構的 10 千伏級原型二極管與晶體管。

高壓器件核心挑戰：電場分布不均

設計制備 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，導致邊緣提前擊穿。

邊緣終端技術是 10 千伏級器件的必備設計，作用是平滑電場分布。但現有 10 千伏級氮化鎵器件，在外延結構、邊緣終端、鈍化設計上均極為復雜，需額外刻蝕、介質沉積、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

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

核心優勢：

• 無刻蝕：避免表面損傷，無需后續修復鈍化；

• 無需精密刻蝕：規避薄膜厚度、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。

器件結構：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控頂層 P 型氮化鎵導電性，形成 “處理區 + 非處理區” 陣列。利用傳統感應耦合等離子體（ICP）刻蝕設備產生氫等離子體，選擇性注入氫原子至 P 型氮化鎵層；氫原子與鎂受主結合，形成電荷中性鎂 - 氫復合物，使處理區 P 型氮化鎵呈高阻態。

仿真驗證：電場優化效果

通過 TCAD 仿真驗證方案可行性，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電場峰值，易擊穿；

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

• 關鍵：終端幾何結構優化，是實現超高耐壓的核心。

器件制備與性能測試

制備圓形陣列結構器件：P 型氮化鎵區域外采用氫等離子體處理（高阻），內部不處理（導電），導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，陽極→陰極長度遞增；陣列關鍵參數：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；

• 開關比：101?；

• 導通電阻：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）；

• 穩定性：導通電阻隨陽極 - 陰極長度線性增長，正反向掃描穩定性佳；

• 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（T1）終端：DT 越小（圓密度越高），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，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

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；

• 核心價值：簡易結構 + 低成本工藝，實現頂級性能；技術可遷移至其他等離子體 / 離子注入工藝。

總結

該方案為低成本 10 千伏級氮化鎵功率器件提供全新路徑。后續將開展動態開關性能、長期高壓穩定性、雪崩能力、封裝測試，推動技術成熟。