垂直GaN PN二极管研究进展：全面综述

摘要

作为代表性宽禁带半导体材料，氮化镓（GaN）凭借高电子迁移率、高电子饱和速度、高临界电场等优异性能备受关注。垂直GaN器件被视为功率电子应用最有前景的候选者之一，具备高耐压、大电流、高击穿电压特性。其中，垂直GaN基PN结二极管（PND）研究深入，在高质量外延与器件结构设计基础上性能大幅提升。但器件外延质量仍需改进。电性能方面，器件边缘电场拥挤效应导致过早击穿，限制GaN材料优势发挥，目前通过边缘终结技术缓解。本综述重点阐述材料外延生长与边缘终结技术进展，探讨GaN与碳化硅（SiC）在材料与器件层面的差异与潜在优势，对比GaN肖特基势垒二极管（SBD）与PND的机制与特性，分析垂直器件相对横向器件的优势。最后展望垂直GaN PND在功率系统中的设计趋势，包括初期垂直GaN PND发展。

引言

全球能源消耗因工业经济快速增长而大幅上升，亟需先进节能技术。硅基器件目前主导功率器件市场[1]，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）自1982年发明以来逐渐取代功率双极结晶体管（BJT）和MOSFET[2]，现为电力电子变换与传输核心器件[3]。但硅基功率器件已触及材料极限。GaN作为宽禁带半导体（含SiC、GaN、Ga₂O₃、金刚石），可制备特定击穿电压下电容电阻更低的功率器件，有望实现低能耗、高功率密度、高转换效率的电力电子系统。

表1显示GaN的巴利加优值（BFOM）远高于已商业化的SiC，归因于更高电子饱和速度和临界电场。SiC热导率更优。GaN载流子迁移率μ和热导率均高于Ga₂O₃，且实现了p、n型双极掺杂。终极宽禁带材料金刚石尚需大量进展方能实用。目前GaN基三端器件（HFET、MOSFET）和二端器件（SBD、PND）成研究热点，在功率整流与变换应用中取得巨大进展。

GaN对比SiC

从本征材料性质看，GaN较SiC略具优势：更宽禁带、更高临界电场、更高电子饱和速度、功率器件BFOM高3-4倍[6]。故GaN基器件理论性能应优于SiC。实际应用中，垂直GaN器件凭借优异材料性质对高功率密度、高工作频率至关重要（图1）。

作为最成熟宽禁带半导体，SiC器件近十年取得显著进展，在高压、低比导通电阻、快速开关方面表现优异[8]。得益于1980年以来深厚研究基础及低缺陷（<10⁴ cm⁻²）大尺寸SiC衬底，SiC SBD和结型场效应晶体管（JFET）自2001年起首批商业化。其他SiC功率器件如MOSFET、BJT在高压大功率领域成功开发并展现卓越性能[9]。

相对SiC，GaN器件发展较慢。材料质量不佳阻碍理论优势发挥。因缺乏GaN衬底，目前多基于横向结构（如AlGaN/GaN异质结构）研究。凭借2000 cm²/V·s（AlGaN/GaN中二维电子气2DEG）、1000 cm²/V·s（体GaN）的高电子迁移率及2.5×10⁷ cm/s饱和速度，AlGaN/GaN器件适合高频应用，功率瓦级水平下优于SiC[10]。高频领域AlGaN/GaN SBD展现优异电输运性能，更适合微波毫米波瓦级应用[11,12]。AlGaN/GaN SBD是GaN SBD代表器件，2DEG高迁移率使其高频应用性能远超垂直SBD，且保持低开启电压。近期基于AlGaN/GaN SBD实现5.8 GHz整流电路，输入功率6.4 W，开启电压0.38 V，击穿电压（BV）3000 V[13,14]。阳极-阴极距离70 nm时最大截止频率接近1 THz（0 V偏压）[15]。

GaN基功率器件理想外延衬底为GaN衬底（体GaN），可利用同质外延消除失配。体GaN低位错密度对外延衬底至关重要，高位错密度会影响BV、反向漏电、产量和可靠性[16]。垂直GaN器件发展近年受GaN衬底进步驱动。但垂直三极管技术相对不成熟，垂直GaN二极管成为初期研究热点。相比AlGaN/GaN SBD，垂直GaN SBD在频率领域具有相似优势（高开关速度、低反向恢复时间、低导通损耗），但电流密度更大、漏电路径更少[17,18]。

GaN衬底面临挑战：位错密度10⁴–10⁶ cm⁻²，远高于Si和SiC衬底[19]；尺寸仅2-3英寸、成本高（100欧元/cm²），远逊于SiC的4-6英寸、10欧元/cm²，阻碍大规模商业化[20]。除增加供应商外，异质外延（Si、蓝宝石、SiC）可降低成本，但需解决高失配与缺陷问题。此外，实现高质量p型GaN是二极管挑战。相对SiC成熟的Al离子注入p型技术，GaN p型离子注入技术不成熟、受主激活率低，限制器件结构制造发展，因此各类边缘终结结构被提出改善性能，构成本综述关键部分。

基于FS衬底的垂直GaN器件

10年前，因无体GaN衬底，多数GaN二极管（含SBD、PND）在异质衬底制备，形成横向或准垂直结构[21]。横向/准垂直二极管电性优异，但存固有结构缺陷：失配缺陷不可避免；异质衬底器件需缓冲层，缓冲层应力释放导致晶圆翘曲，降低GaN外延层厚度[22]；大热边界热阻严重影响高功率密度工作性能[23]。

随外延技术发展，低位错密度自由生长GaN（FS-GaN）衬底用于垂直器件取得巨大进展。FS-GaN上同质外延GaN材料质量显著改善，展现功率应用潜力。垂直器件可缓解横向器件缺陷：可无缓冲层生长更厚外延层，获得更高BV（由漂移层厚度决定）；最大电场位于器件内部远离表面（消除横向器件常见电子捕获效应）。基于高质量FS-GaN衬底，垂直GaN器件研究始于2011年[24]，此后制备出高BV、低导通电阻的垂直GaN PND，性能卓越。

PND对比SBD

二极管是功率变换逆变关键元件[25]。GaN基二极管（SBD、PND）凭借独特材料性质展现卓越性能，满足功率应用需求。图2显示PND在GaN器件中耐压范围最广（600-5000 V），应用场景最宽。相比无少数载流子储存问题、势垒更低的SBD，GaN SBD具有低正向开启电压（V_on）、快速反向恢复特性，体现低导通/开关损耗、高频操作优势，但BV低于PND；高开启电压导致高导通损耗降低系统效率[27,28]。

高功率领域准垂直/垂直SBD优于AlGaN/GaN SBD[29]。调节低功函数金属可实现低开启电压（<0.5 V），但低势垒易导致高反向漏电、降低BV。因此提出各类边缘终结技术改善性能[27,28,30,31]，实现KA/cm²级电流密度与>1 kV BV。垂直SBD在高频方面也表现优异，如177-183 GHz及0 V下最大902 GHz截止频率，有望用于太赫兹无线通信功率源[12,32]。

利用Mg受主，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）生长p型GaN[33]。相比GaN SBD，GaN PND优势包括：低比导通电阻（R_on·A）、足够器件稳定性、抑制浪涌电流能力。尽管开启电压高（>3 V）、开关速度相对较低，但因更高势垒获得超低漏电流和高BV。0.6-5 kV高BV是GaN PND最突出性能，使其成为下一代高效低损耗高功率系统关键构建块[34]。类似垂直SBD，GaN PND也采用边缘终结缓解阳极周围电场拥挤，详述于后文。

功率器件中PN结可视为新型结构。为同时利用PND高BV低漏电与SBD高开关性能低开启电压，提出结势垒肖特基（JBS）和并联PN肖特基（MPS）等新结构，在肖特基接触区形成p型栅极区，结合SBD与PND。JBS/MPS器件具备SBD正向导通与PND反向阻断特性，预期开关性能优于常规PND、反向耐压高于常规SBD[35]。除高功率应用，GaN PND还用于发光二极管（LED）、光电探测器、火焰传感等光电器件，因GaN基PN结光电二极管暗电流极低（仅几pA）[36,37]。

本综述目的

基于GaN优异材料性质，GaN基器件作为最热门半导体材料之一广泛应用于功率电子。垂直GaN PND研究深入且BFOM优异。边缘终结技术对缓解阳极焊盘周围电场拥挤至关重要。本综述以材料外延生长与边缘终结技术为主线，阐述GaN现状、GaN SBD与PND机制特性差异、垂直器件相对横向器件优势，展望垂直GaN PND在功率系统中的设计趋势。第2节介绍垂直GaN PND不同层外延生长发展；第3节探讨边缘终结技术；第4节演示Si衬底垂直GaN PND作为替代方案；最后给出结论与未来展望。

材料外延生长

垂直PND的GaN衬底

主流外延工艺中，垂直器件外延层主要在氢化物气相外延（HVPE）制备的导电GaN衬底上通过MOCVD生长。衬底质量直接影响后续外延结构，许多器件失效机制源于衬底外延质量[38]。必须获得高质量导电GaN衬底以进一步改善正反向I-V性能，特别是反向漏电和BV能力。

HVPE生长衬底因成本较低、重现性好被视为量产最便捷方法[39]。早期技术不成熟导致HVPE GaN衬底本征载流子浓度高（>10¹⁹ cm⁻³）、晶体质量差，未用于器件外延[39]。随外延技术飞速发展，HVPE高质量体GaN材料逐渐成为可能[40,41]。除衬底外，器件部分外延层现可由HVPE生长，结合无碳技术的MOCVD工艺，相比纯MOCVD器件可实现更高电流均匀性并消除GaN表面宏观台阶[42]。

目前商业GaN衬底最低位错密度<10⁴ cm⁻²。低缺陷密度GaN衬底制备的垂直GaN PND已加工。但晶圆翘曲仍存。氨热法可作为有前景解决方案获得更优外延质量GaN衬底。利用高压釜和超临界氨，螺旋位错可显著降至10⁴–10⁵ cm⁻²[43]。氨热法制得高掺杂n型（1×10¹⁹–1×10²⁰ cm⁻³）GaN衬底电阻低至0.001 Ω·cm²，BV达3 kV[44]。但氨热法生长速率低（约80-90 μm/天），不利量产。提高生长速率同时保持高材料质量是后续研究方向。

除商业衬底，非Ga极面（c面）衬底也被研究。通常垂直GaN器件用Ga极（c面）衬底，后续外延层呈剧烈极化效应。相反方向上，N极同质外延因更高分解温度和极性依赖性质展现独特器件性能[45,46]。N极单晶FS-GaN衬底上，无边缘终结即达2.2 MV/cm电场，经N₂O等离子体处理和场板（FP）达2.4 kV BV[46,47]。另一特殊m面衬底因非极性（Ga:N=1:1，c面仅Ga，N面仅N）受关注。非极性GaN衬底PND临界电场达2.0 MV/cm，无FP或边缘终结即获高导通/关断比[48]。

N型GaN外延技术

高质量导电GaN衬底出现前，GaN PND多在Si、SiC、蓝宝石等异质衬底制备，器件结构限于横向。提出基于横向结构改善外延质量的方法：横向器件窗口区低螺旋位错（TD），横向跨掩膜生长可大幅降低TD密度。在蓝宝石衬底上横向外延生长GaN外延层制备横向PND，反向漏电抑制三个数量级[49]。

随外延技术发展，高质量单晶GaN衬底（位错密度3×10⁻⁶ cm⁻²）可用，GaN PND在GaN衬底制备。结合MOCVD上层外延，器件展现低漏电和600 V至4 kV BV（对应漂移层厚度6-40 μm）[16,50]。相比蓝宝石衬底器件，反向漏电和BV显著改善[51]。

原生GaN衬底上，PND外延结构通常无异质衬底所需的特殊缓冲层。研究缓冲层在GaN衬底PND中的效应作为参考。缓冲层存在意味着漂移层缺陷密度更低；较厚缓冲层配合较薄漂移层可获更高BV；反向漏电也改善。这些参数与缓冲层厚度强相关，对正向特性影响微弱[52]。

上层外延由MOCVD、金属有机气相外延（MOVPE）、MBE沉积。PND外延结构含高掺杂n⁺-GaN层和衬底与p-GaN间的n⁻-GaN漂移层（图3）。高掺杂n⁺-GaN层在部分报道中作为导电GaN衬底上的过渡层。

BV决定器件应用场景。如SiC器件较高BV使其适用电动汽车、高铁等高压大功率场景（图1）。类似地，PN二极管常用于比肖特基二极管和HEMT更高电压场合。PND中，BV主要由漂移层（轻掺n⁻-GaN）耗尽区展宽承担（公式1，V为正/负偏压）。反向偏压进一步增大击穿发生。

W_D = √[2ε_s(V_bi - V)/q × (N_A + N_D)/(N_A N_D)] (1)

其中S、q、V_bi、N_D、N_A分别为结面积、电子电荷、内建势、施主浓度、受主浓度[53]。

按耗尽宽度分非穿透型（W_D > W_Dm）和穿透型（W_D < W_Dm，W_Dm为最大耗尽层宽）。鉴于外延结构与边缘问题，多数垂直GaN器件属穿透型，即耗尽区击穿前扩展穿过整个n⁻-GaN层达n⁺-GaN衬底。

公式(2)表明增大漂移层厚度、降低n型掺杂可提高BV：

BV = E_C·t - qN_D·t²/(2ε₀ε_r) (2)

其中E_C、q、t、N_D、ε_r分别为临界电场、电子电荷、n⁻-GaN层厚度、n⁻-GaN净载流子浓度、半导体介电常数[54]。经验表明，增大漂移层厚度、降低掺杂仅轻微增加导通电阻。

相比增厚漂移层提高BV，降低n⁻-GaN掺杂浓度目前困难，因Si、O等高本征背景浓度。为进一步降低掺杂，研究非故意掺杂浓度。多研究组引入名义i-GaN（约10¹⁵–10¹⁶ cm⁻³）接触p-GaN形成p-i-n结构提高二极管BV[55]。这些措施前提是漂移层高外延质量，因TD增加关态漏电、降低BV性能[56]。

为进一步改善垂直GaN PND漂移层外延质量，研究在GaN衬底上MBE生长。极低位错密度下获得<3 nA/cm²漏电流和3.1 MV/cm电场，近乎理想击穿性能表明MBE是垂直GaN PND外延层生长有效方法[56]。但同氨热法一样，外延速率也是劣势。

P型GaN外延

P-GaN是垂直GaN PND关键组分，1969年HVPE出现GaN后，1989年首次报道[57,58]，最初用于蓝光LED，后逐渐用于常关器件和PND等电器件领域。垂直GaN PND中，p-GaN掺杂浓度分轻度（~10¹⁹ cm⁻³）和重度（≥10²⁰ cm⁻³），分别对应与漂移层形成PN结层和作为阳极欧姆接触。

通常p-GaN外延由MOCVD在~1000°C生长，掺Mg²⁺受主。生长后需在700-800°C N₂气氛或400°C O₂气氛退火激活，获较高空穴浓度[59-61]。但Mg-H键150-200 meV高电离能导致p-GaN激活率仅1-3%。低激活率也与温度相关：≥600°C NH₃或氢气氛中Mg掺杂剂可再钝化[62]。单纯提高掺杂浓度不可行，因高掺杂恶化晶体质量并通过自补偿效应降低空穴密度[63]。目前峰值空穴密度通常在受主浓度~3×10¹⁹ cm⁻³时达成[64]。尽管p-GaN存诸多问题，相关研究报道不多，可能因材料本征性质与外延设备限制，且现有p-GaN尚能获得可比器件性能。

但生长条件优化和新外延工艺仍在探索。如2017年提出MBE非激活再生p-GaN，低氢生长环境下制备垂直GaN PND获1.1 kV BV和2.5理想因子[65]。另一有趣方法是Mg离子注入结合超高压退火（UHPA）。1573-1753 K、1 GPa N₂压力下注入后退火，获70%高激活率和24.1 cm²/V·s空穴迁移率，与MOCVD外延相当[66]。

总之，商业低缺陷GaN衬底现已可用，外延技术仍在发展，强烈影响器件性能。相比MOCVD，MBE可获优异外延质量，无边缘终结即实现优异器件性能。但生长慢、成本高使MBE不适合大规模量产。MOCVD外延仍是主流生产方法，提高MOCVD外延层质量是当前紧迫问题，需较长时间。因此现阶段提出先进器件结构设计或措施以获高性能。

边缘终结技术

垂直GaN PND中BV是关键参数。几乎所有研究聚焦提高反向耐压（即BV）。但PN结边缘、耗尽层边缘或电极边缘电场拥挤常导致过早击穿。因此开发先进器件结构设计（即边缘终结技术）缓解电场拥挤以获更高BV。现采用多种边缘终结技术缓解GaN PND边缘电场拥挤，主要包括场板（FP）、离子注入与等离子体处理、不同角度或阶梯刻蚀台 Mesa及护环（GR）[49,67-69]。

金属场板

FP广泛用于GaN器件将栅极、阳极或结边缘峰值电场转移。该方法对反偏下PN结边缘电场强度松弛效果相同。FP终结工艺相对简单，可实现低漏电流和高反向击穿电压。FP结构优点包括工艺简单、兼容器件工艺；FP介质层同时作为器件钝化层。作为垂直GaN PND最早、最广泛使用的边缘终结，非延伸FP终结初期使用（图4a）。制备FP结构时，用感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀处理Mesa结构。为抑制等离子体损伤寄生漏电，在阳极电极和整个Mesa结构上沉积钝化介质膜[70]。

为进一步缓解PN结边缘外围电场拥挤，采用延伸金属FP覆盖整个Mesa降低反向漏电、提高BV[71]。该优化FP结构现广泛用于垂直GaN PND制备。图4b显示延伸FP结构使BV超3 kV，3 kV反向电压下漏电流也被抑制至极低水平。

作为FP结构关键组件，钝化层对器件特性影响显著，需选择合适钝化层。仿真提出高介电常数钝化层可获均匀反向电流流动[50]。据此，采用Ga₂O₃（介电常数10）作FP终结钝化膜的垂直GaN PND被报道。BV从200 V大幅提升至550 V，揭示高k钝化膜如Ga₂O₃在垂直GaN PND FP终结中前景广阔[72]。但FP终结也有缺陷：介质层沉积及介质/GaN界面缺陷导致载流子捕获，引起长期使用性能不稳定，需优化介质层沉积工艺。

Mesa终结

Mesa刻蚀是平面GaN器件制备中隔离相邻器件的必要步骤，因工艺简单广泛用于垂直GaN PND工艺。除PN结边缘均匀电场外，可获无损伤雪崩特性的高BV。如图5a，垂直PND中>10 μm深Mesa结构确证无损伤BV和雪崩特性[73]。

研究新型Mesa结构（图5b）。垂直PND采用多Mesa（双Mesa）结构。相对普通单Mesa，双Mesa结构因上层Mesa变薄p-GaN空穴全耗尽，将峰值电场从PN结边缘转移至上层Mesa薄p-GaN下方。双Mesa结构成功实现4.7-4.8 kV无损伤高BV，且不降低正向I-V特性即获雪崩能力[74]。双Mesa对准垂直PIND同样有效[75]，BV从665 V提升至835 V且低漏电流同步实现。

除常见垂直Mesa，最近提出负斜角Mesa缓解PN结边缘电场拥挤。负斜角Mesa下，斜角θ从90°降低时边缘电场呈下降趋势，峰值电场转移至器件内部。实验表明斜角Mesa结构（图6a）配合相同FP结构，可获>3 kV BV且低漏电流，优于陡峭Mesa的3 kV BV[76]。TCAD仿真进一步研究：垂直GaN PND斜角Mesa（图6b）最大电场由p-GaN受主浓度N_A、n⁻-GaN漂移层施主浓度N_D和斜角θ决定。理论分析与仿真显示：较小θ可获更高E_pp（平行平面击穿场）；固定θ下轻掺杂p-GaN有利于高BV。以θ=10°为例，实验获2.86 MV/cm平行平面击穿场，与仿真一致[77]。

同FP终结，干法刻蚀及绝缘/钝化膜在边缘终结工艺中必需。干法刻蚀损伤须考虑，可导致高反向漏电甚至过早击穿。对刻蚀设备精度要求高，刻蚀深度难控制。损伤存在使绝缘体/刻蚀半导体界面态更复杂，影响器件可靠性。因此减轻损伤势在必行。现采用四甲基氢氧化铵（TMAH）湿法刻蚀去除损伤、退火修复干法刻蚀损伤等工艺处理刻蚀面改善性能。

离子处理

离子注入用于缓解边缘电场集中。作为相对简单终结结构，基于注入技术在GaN器件研究中应用，包括补偿物种（O、H、Zn）或惰性物种（Ar、N、He、Kr）在终结区制造深能级陷阱[78-82]。近年为缓和垂直GaN PND过早击穿，也采用离子注入终结（N、F、Mg、H），但机制不同。

相对垂直GaN SBD[83]，N注入在垂直GaN PND中机制不同：制造施主型缺陷（N空位、N间隙）补偿p型掺杂。经N注入处理（图7a,b），p-GaN导电性可被降低或消除（绝缘化）[53]。为进一步提高BV，提出非全补偿层：p-GaN中全补偿层与部分补偿层耦合，仿真分析机制预期获更高BV[84]。实验显示部分补偿p⁺-GaN的N注入可获1.68 kV BV且不损正向特性[85]。

氢等离子体（H等离子体）边缘终结也能降低p-GaN导电性，但机制不同。H等离子体处理是有效钝化方法，因p-GaN中Mg-H强键将导电p-GaN转化为高电阻态。相比N注入，H等离子体处理因低损伤、低温、操作简单更适合垂直GaN PND。图8a显示仅H等离子体处理即达3.0 MV/cm电场，正向I-V特性相当且反向漏电流更低[86]。

氟（F）离子因反偏下负固定电荷也能调制峰值电场。但垂直GaN PIND中实施F注入终结需严格设计结构优化[87]。

除N、H、F离子注入终结，Mg离子注入也是转换ICP干法刻蚀损伤源表面/界面态的替代方法。最近采用新型Mg离子注入耦合护城河Mesa补偿GaN垂直PND施主型损伤（图8b），获1.5 kV BV和0.7 mΩ·cm²比导通电阻[88]。

离子注入终结是垂直GaN PND获高BV有效方法，工艺相对简单。但高能离子注入产生晶体损伤，部分终结需高温退火缓解损伤。需精确控制注入深度追求矩形注入剖面。虽工艺简单，但高能离子设备昂贵。

护环

浮置护环（GR）作为边缘终结提高BV是垂直GaN PND有效方法，反向电压在GR上分压缓解电场拥挤。GR制备无需专用步骤，与阳极金属沉积同步。为获更高BV，在PND中制备FP结构中的GR（图9a），GR与阳极部间设聚酰亚胺作为电阻分压器件。因电阻分压，BV增量0.2-0.4 kV达最大5.0 kV。相比无GR常规PND，电阻GR器件正向I-V特性相似（R_on 1.25 mΩ·cm²），但反向漏电流更低，BFOM达20 GW/cm²[69]。

除浮置GR，基于H等离子体的GR结构也用于边缘终结。除低损伤外，H等离子体低扩散性可在GaN形成相对理想剖面[89]。因H等离子体对p-GaN钝化效应，导电p-GaN变高电阻，由高电阻p-GaN环形成GR结构（图9b）。采用1-2 μm窄GR宽度和递减间距提高BV。测量不同环数GR结构。有无GR器件正向特性相近（~0.65 mΩ·cm²，理想因子1.65）。环数增加进一步缓解器件边缘电场，测量显示BV随环数增加而提高。10个GR达1.7 kV BV和3.43 MV/cm最高电场[90]。

GR劣势在于面积利用率低，结构通常需大面积（甚至大于阳极），增加宽度间距设计难度。目前单器件常采用两种以上边缘终结获更高BV，典型组合包括FP、斜角Mesa、GR（因工艺相对简单）。这些终结不向GaN晶体引入外来元素（相对离子处理），有利器件性能。但外延层质量仍占重要比重。

Si衬底垂直GaN PND

尽管垂直GaN-on-GaN器件性能优异，但GaN衬底高成本、小尺寸仍阻碍大规模应用。考虑Si衬底大尺寸低成本优势，GaN-on-Si器件备受关注。

准垂直Si衬底PND需高质量缓冲层。文献[91]优化AlN核化层及后续生长（图10a），获位错密度2.95×10⁸ cm⁻²、电子迁移率720 cm²/V·s的GaN漂移层。配合FP结构，器件获820 V BV和0.33 mΩ·cm² R_on。

除材料失配挑战，导电缓冲层和Si衬底是Si衬底全垂直PND基础。图10b首次用n⁺-Si衬底作垂直PND阴极，后用Si掺杂薄AlN层和GaN/AlN应变超晶格层辅助器件性能[92]。Si衬底垂直PND采用FP，1.5 μm漂移层确证288 V BV。5.7 μm漂移层Si衬底PND获720 V更高BV[93]。不同于导电Si衬底法，背面沟槽欧姆接触法通过选择性去除常规Si衬底和缓冲层直达n⁺-GaN层。

除导电Si衬底和背面沟槽欧姆接触，衬底剥离技术是制备Si衬底垂直GaN PND的替代路径。图10d利用层转移技术处理Si衬底垂直PIND。Si衬底去除、转移、n电极、侧壁钝化后，器件展现3.3 mΩ·cm²低R_on和350 V BV[94]。PIND 37.0 MV/cm²高BFOM证明衬底剥离技术是Si衬底GaN基PIND制备有效途径。但衬底剥离部分工艺更复杂、成本更高，需解决。

作为替代技术路线，Si衬底PND采用准垂直或垂直结构制备。为缓解Si衬底与GaN外延堆叠巨大材料失配，需研究更有效外延技术。为获更高BV，更厚漂移层也必不可少，这在Si衬底上漂移层厚度约5 μm的情况下是另一关键问题。

未来挑战与结论

垂直PND对同时获得大电流（>100 A）和高电压（>600 V）至关重要，可满足电动汽车、再生能源处理等应用需求。尽管取得巨大进展，垂直GaN PND应用仍面临成本、技术障碍。

FS-GaN衬底上常规MOCVD已获高外延质量低螺旋位错。但FS-GaN衬底小尺寸、高成本限制垂直GaN PND应用范围，小尺寸也推高GaN价格。商业GaN衬底仅2英寸，远小于4-6英寸SiC和8-12英寸Si衬底。垂直GaN PND首要挑战是实现高外延质量，特别是高空穴浓度高质量p-GaN层。近期提出用热氧化或溅射合成NiOₓ替代p-GaN用于垂直PND及GaN SBD护环，展现优异性能[95-98]。

本文综述总结垂直GaN PND作为最有前景功率器件之一的研究进展。讨论了不同材料（SiC vs GaN）、不同器件结构（SBD vs PND）、材料外延生长与边缘终结技术（FP、Mesa、离子注入、GR终结）近期进展。图11绘制不同技术R_on对BV基准曲线。除外延技术，边缘终结技术在现阶段对垂直GaN PND实现高性能起关键作用。尽管器件性能大幅进步，垂直GaN PND优势仍未充分发掘。后续研究通过优化器件结构和外延质量可进一步提升特性。随着成熟边缘终结与外延技术发展，商业化垂直GaN PND将在未来问世。