根据作者 Yu Shao 等人于2023年12月4日发表在 Journal of Physics D: Applied Physics 上的名为“Research progress and prospect of GaN Schottky diodes”（GaN肖特基二极管的研究进展与展望）的文章，这是一篇对氮化镓（GaN）肖特基二极管（Schottky Barrier Diode, SBD）领域进行全面回顾与前瞻的专题综述。该文来自西安电子科技大学微电子学院与国家重点学科宽禁带半导体技术实验室以及西安邮电大学电子工程学院的研究团队。该文系统性地梳理了近年来GaN SBD的研究进展，对比了不同器件结构的优缺点，并展望了未来的发展方向和应用领域。

主要论点一：GaN SBD器件性能超越传统硅基器件，具有巨大应用潜力，但其发展受到结构、材料和工艺的制约。 论文首先确立了GaN作为第三代宽带隙半导体材料的优势，并将其与第一代半导体硅（Si）和第二代半导体碳化硅（SiC）进行了对比。表格1清晰展示了GaN在禁带宽度（3.4 eV）、理论击穿电场强度（3.3 MV/cm）和巴利加品质因数（Baliga’s figure of merit, BFOM，846）等关键参数上的优越性，这决定了GaN器件能够实现高击穿电压、低导通电阻和高频工作特性。与SiC相比，GaN特别是基于AlGaN/GaN异质结的器件，由于二维电子气（Two-dimensional Electron Gas, 2DEG）的存在，电子迁移率更高（约2000 cm²·V⁻¹·s⁻¹），在射频（RF）功率领域更具潜力。论文指出，目前GaN SBD主要有三种基本结构：横向AlGaN/GaN异质结结构、垂直结构以及准垂直结构。每种结构都各有优劣：横向结构可以利用2DEG实现低导通电阻，但为获得高击穿电压需要较大的阴极间距，不利于大电流应用和集成；垂直结构能通过增加漂移层厚度提高击穿电压，器件尺寸小、散热好，但高质量GaN同质外延技术不成熟、成本高、缺陷态密度大；准垂直结构结合了前两者的部分优点，使用异质衬底降低成本，但台面侧壁缺陷引入的漏电流问题突出，且散热问题未完全解决。论文的核心论述围绕如何通过各种优化手段克服这些结构的固有缺点而展开。

主要论点二：横向AlGaN/GaN异质结SBD的优化主要集中在阳极结构、终端结构和缓冲层三个方面，已实现超高性能指标。 论文详细阐述了横向结构的多种优化路径。在阳极结构优化上，凹槽阳极（Recessed-anode）通过刻蚀掉阳极区域的AlGaN层，让金属直接与GaN或2DEG接触，有效降低了肖特基势垒高度，从而获得低开启电压（低至0.31V）。针对刻蚀损伤问题，发展了自终止湿法刻蚀、后阳极金属沉积退火、多层介质钝化等技术来抑制漏电流。三栅阳极（Tri-anode）利用周期性排列的沟槽形成纳米导电通道，侧面与2DEG形成近理想的肖特基结，改善了导通特性，并通过倾斜沟槽调制电场分布，实现了高击穿电压（2000 V）和极低的漏电流（51 nA/mm @1000 V）。混合阳极（Hybrid anode）结合了肖特基接触和欧姆接触，其开启过程取决于沟道阈值而非肖特基势垒，同样旨在降低开启电压，并发展了MIS（金属-绝缘体-半导体）栅结构来减少刻蚀损伤。此外，采用低功函数阳极金属（如W、Mo、TiN/NiN）也是降低开启电压的有效方法。 在终端结构优化上，场板终端（Field Plate Termination）通过在介质层上延伸阳极金属来调制边缘电场，是提高击穿电压的常用技术。从单层场板发展到双层场板、阶梯场板，并与凹槽阳极、混合阳极结构结合，不断提升性能（例如，击穿电压>1900 V）。PN结终端利用P-GaN与AlGaN形成的PN结更高的势垒来耗尽2DEG，无需刻蚀即可改善反向特性，但可能增加开启电压。研究通过引入P-GaN阵列、将P-GaN延伸至阴极附近形成RESURF（ Reduced Surface Field）结构，成功实现了电荷平衡和电场扩展，使得横向SBD的击穿电压突破了10 kV，BFOM达到3.6 GW·cm⁻²，创造了该结构的性能纪录。 在缓冲层优化上，高质量、高阻的缓冲层（如AlN、AlGaN/AlN）以及Fe、C掺杂的缓冲层，能够有效降低螺旋位错密度，从而成为抑制器件漏电流、提升击穿特性的关键。例如，使用高阻AlGaN/AlN缓冲层的SBD实现了3489 V的击穿电压。文章总结道，横向结构SBD在击穿电压和开启电压方面均已展现出最佳性能，尤其适合高频、低功耗应用场景，在5G及以上频段通信领域前景广阔。

主要论点三：垂直结构GaN SBD的优化侧重于终端结构和漂移层质量，其发展受限于高质量GaN衬底和P型掺杂工艺。 由于垂直结构电场分布更规整，其优化主要围绕缓解阳极边缘电场集中和制备高质量漂移层展开。论文列举了多种终端技术：场板终端（包括平面场板和沟槽MIS场板）能有效提升击穿电压（如790 V @ 3x3 mm²大尺寸器件）；场环终端则包括通过离子注入（Ar⁺， N⁺， F⁺）形成的注入场环和通过金属沉积形成的浮空金属场环。其中，Ar⁺注入场环曾实现1650 V的高击穿电压，但可能增加漏电；而氟离子注入因其能在GaN中成为固定负电荷，不仅能缓解电场集中，其耗尽效应还能截断漏电路径，显著降低漏电流（可降低3个数量级）。 漂移层优化是垂直结构的核心。论文指出，降低MOCVD生长过程中无意掺杂的碳（C）含量、采用渐变AlGaN层提高势垒以降低漏电、设计双漂移层结构（上层非故意掺杂层提高临界电场，下层轻掺杂层保证低开启电压）、通过Mg补偿非故意施主杂质以实现更好的电中性、以及制备垂直纳米线/纳米柱阵列SBD等，都是提升器件性能的有效方法。例如，纳米线SBD实现了高达1 kA/cm²的电流密度和低至0.15 mΩ·cm²的导通电阻。然而，文章强调，垂直结构面临两大根本挑战：一是缺乏高质量、大尺寸、低成本的GaN同质衬底，这是限制其商业化的主因；二是P型GaN掺杂工艺不成熟，限制了终端结构的进一步优化和器件性能的全面突破。因此，垂直结构虽适合高压大功率应用，但其潜力尚未完全发挥。

主要论点四：准垂直结构GaN SBD是折中方案，成本优势明显，但侧壁漏电是限制其性能提升的关键。 准垂直结构在异质衬底（如Si、蓝宝石）上生长GaN外延层，通过台面刻蚀形成准垂直电流通路，兼具了部分垂直结构的尺寸优势和横向结构的成本优势。其优化同样集中在终端和工艺。终端方面，采用了阳极选择性氟处理、指状阳极与台面侧壁阴极、氧等离子体终端、反向PN结终端、氮离子注入保护环等多种技术。其中，采用反向PN结终端和凹槽阳极结构的器件实现了1419 V的高击穿电压，展示了该结构的潜力。工艺优化则聚焦于提升外延层质量和减少台面刻蚀损伤。例如，通过改进AlGaN缓冲层和高密度Ga空位非掺杂GaN层的生长，获得了低位错密度的高质量漂移层；通过优化ICP干法刻蚀参数并结合TMAH湿法处理，以及采用氮等离子体处理台面侧壁，有效降低了侧壁损伤和漏电流。论文明确指出，沿台面侧壁的漏电流是限制准垂直器件击穿电压提升的关键瓶颈，未来仍需通过优化侧壁质量来进一步改善器件特性。

主要论点五：未来GaN SBD的研究需在材料、工艺、结构、集成和应用等多个层面持续突破。 论文在最后部分对GaN SBD的未来发展方向进行了系统展望，提出了六个需要重点突破的方面：1. 材料生长工艺：需进一步提高材料生长质量以降低位错和缺陷，提升器件可靠性，并发展高质量、大尺寸、低成本的GaN单晶衬底。2. 欧姆接触工艺：针对横向器件，需改进欧姆接触工艺以最小化导通电阻，降低系统功耗。3. P型掺杂机理：需深入研究P型掺杂机制，探索提高掺杂剂激活度的方法，以推动器件特性的升级。4. 新器件结构：需探索新的器件结构，以改善开启电压与反向漏电流、导通电阻与击穿电压之间相互制约的关系。5. 无金工艺与CMOS兼容性：需继续完善无金工艺，实现GaN SBD与硅基CMOS工艺的真正兼容。6. 封装与应用：需要研究器件封装后的性能，并开发和优化基于GaN SBD的应用电路。此外，文章还提及了诸如QST衬底技术、利用二维空穴气（2DHG）改善P型器件特性等前沿研究方向。

论文的意义与价值： 本文作为一篇全面的专题综述，其价值在于系统性地整合和分析了近年来GaN肖特基二极管领域的大量研究成果，为读者提供了一幅清晰的技术发展路线图。它不仅详细比较了三种主流结构的技术细节、优化策略和已达成的性能指标，更重要的是，它深刻指出了每种结构面临的核心挑战和未来发展的关键瓶颈。这使得该文不仅是对过去工作的总结，更是对后续研究的指南。对于从事宽禁带半导体功率器件研究和开发的科研人员、工程师以及学生而言，本文是一份极具参考价值的文献，有助于快速把握该领域的研究热点、技术难点和发展趋势，推动GaN SBD技术向着更高性能、更低成本和更广泛应用的方向迈进。