Herein, we propose and demonstrate the edge termination for GaN-based one-sided abrupt p–n junctions. The structure is comprised of a combination of a shallow negative bevel mesa and selective-area p-type doping under the mesa. Based on the Technology Computer Aided Design (TCAD) simulation, the maximum electric field at the junction edge is markedly reduced to approximately 1.3 times that of the parallel-plane electric field in the proposed structure, which is almost half of the unimplanted diode. The TCAD simulation also shows that the shallow mesa angle of 6° effectively reduces the optimum acceptor concentration (Na) in the implanted region and enhances the breakdown voltage. The optimum Na value can be covered by the proposed technology based on the Mg-ion implantation and subsequent ultra-high-pressure annealing (UHPA). Using the formation of the shallow bevel mesa, the Mg-ion implantation, and the UHPA process, we experimentally demonstrate the p–n diodes with a breakdown voltage over 600 V, which is in good agreement with the TCAD simulation. The proposed method can be applied to a vertical trench-gate metal-oxide-semiconductor field-effect transistor with a high figure-of-merit.

1.
H.
Nie
,
Q.
Diduck
,
B.
Alvarez
,
A. P.
Edwards
,
B. M.
Kayes
,
M.
Zhang
,
G.
Ye
,
T.
Prunty
,
D.
Bour
, and
I. C.
Kizilyalli
,
IEEE Electron Device Lett.
35
,
939
941
(
2014
).
2.
D.
Shibata
,
R.
Kajitani
,
M.
Ogawa
,
K.
Tanaka
,
S.
Tamura
,
T.
Hatsuda
,
M.
Ishida
, and
T.
Ueda
, in
IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
(
IEEE
,
2016
), p.
248
.
3.
T.
Oka
,
T.
Ina
,
Y.
Ueno
, and
J.
Nishii
,
Appl. Phys. Express
8
,
054101
(
2015
).
4.
R.
Tanaka
,
S.
Takashima
,
K.
Ueno
,
H.
Matsuyama
, and
M.
Edo
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
59
,
SGGD02
(
2020
).
5.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C.
De Santi
,
M. M.
De Souza
,
S.
Decoutere
,
L. D.
Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Fay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M.
Van Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zhang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
163001
(
2018
).
6.
T.
Kachi
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
(
10
),
100210
100211
(
2014
).
7.
T.
Narita
,
H.
Yoshida
,
K.
Tomita
,
K.
Kataoka
,
H.
Sakurai
,
M.
Horita
,
M.
Bockowski
,
N.
Ikarashi
,
J.
Suda
,
T.
Kachi
, and
Y.
Tokuda
,
J. Appl. Phys.
128
,
090901
(
2020
).
8.
I. C.
Kizilyalli
,
A. P.
Edwards
,
O.
Aktas
,
T.
Prunty
, and
D.
Bour
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
,
414
(
2015
).
9.
T.
Hashizume
,
K.
Nishiguchi
,
S.
Kaneki
,
J.
Kuzmik
, and
Z.
Yatabe
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
78
,
85
95
(
2018
).
10.
Z.
Yatabe
,
J.
Asubar
, and
T.
Hashizume
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
49
,
393001
(
2016
).
11.
U. K.
Mishra
,
L.
Shen
,
T. E.
Kazior
, and
Y. F.
Wu
,
Proc. IEEE
96
,
287
(
2008
).
12.
T.
Ueda
,
M.
Ishida
,
T.
Tanaka
, and
D.
Ueda
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
53
,
100214
(
2014
).
13.
A. M.
Ozbek
and
B. J.
Baliga
,
IEEE Electron Device Lett.
32
,
300
(
2011
).
14.
J. J.
Wierer
,
J. R.
Dickerson
,
A. A.
Allerman
,
A. M.
Armstrong
,
M. H.
Crawford
, and
R. J.
Kaplar
,
IEEE Trans. Electron Devices
64
(
5
),
2291
(
2017
).
15.
T.
Niwa
,
T.
Fujii
, and
T.
Oka
,
Appl. Phys. Express
10
,
091002
(
2017
).
16.
T. J.
Anderson
,
B. N.
Feigelson
,
F. J.
Kub
,
M. J.
Tadjer
,
K. D.
Hobart
,
M. A.
Mastro
,
J. K.
Hite
, and
C. R.
Eddy
, Jr.
,
Electro. Lett
50
,
197
(
2014
).
17.
D.
Ji
,
S.
Li
,
B.
Ercan
,
C.
Ren
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
264
267
(
2020
).
18.
H.
Fukushima
,
S.
Usami
,
Y.
Ando
,
A.
Tanaka
,
M.
Deki
,
M.
Kushimoto
,
S.
Nitta
,
Y.
Honda
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Express
12
,
026502
(
2019
).
19.
H.
Fu
,
K.
Fu
,
X.
Huang
,
H.
Chen
,
I.
Baranowski
,
T.-H.
Yang
,
J.
Montes
, and
Y.
Zhao
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1018
(
2018
).
20.
H.
Ohta
,
N.
Asai
,
F.
Horikiri
,
Y.
Narita
,
T.
Yoshida
, and
T.
Mishima
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
SCCD03
(
2019
).
21.
D.
Ji
,
C.
Gupta
,
S. H.
Chan
,
A.
Agarwal
,
W.
Li
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S.
Chowdhury
, in
IEEE International Electron Devices Meeting, Technical Digest
(
2017
), p.
9.4.1
.
22.
C.
Gupta
,
S. H.
Chan
,
A.
Agarwal
,
N.
Hatui
,
S.
Keller
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
1575
(
2017
).
23.
D.
Ji
,
A.
Agarwal
,
H.
Li
,
W.
Li
,
S.
Keller
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
863
(
2018
).
24.
M.
Kodama
,
M.
Sugimoto
,
E.
Hayashi
,
N.
Soejima
,
O.
Ishiguro
,
M.
Kanechika
,
K.
Itoh
,
H.
Ueda
,
T.
Uesugi
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
1
,
021104
(
2008
).
25.
R.
Li
,
Y.
Cao
,
M.
Chen
, and
R.
Chu
,
IEEE Electron Device Lett.
37
,
1466
(
2016
).
26.
T.
Ishida
,
K.
Pil Nam
,
M.
Matys
,
T.
Uesugi
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
13
,
124003
(
2020
).
27.
T.
Maeda
,
T.
Narita
,
H.
Ueda
,
M.
Kanechika
,
T.
Uesugi
,
T.
Kachi
,
T.
Kimoto
,
M.
Horita
, and
J.
Suda
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
941
(
2019
).
28.
A. T.
Binder
,
J. R.
Dickerson
,
M. H.
Crawford
,
G. W.
Pickrell
,
A. A.
Allerman
,
P.
Sharps
, and
R. J.
Kaplar
, in
IEEE 7th Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA)
, Raleigh, NC, USA (
2019
), pp.
281
285
.
29.
K.
Zeng
and
S.
Chowdhury
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
2457
(
2020
).
30.
H.
Sakurai
,
M.
Omori
,
S.
Yamada
,
Y.
Furukawa
,
H.
Suzuki
,
T.
Narita
,
K.
Kataoka
,
M.
Horita
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
142104
(
2019
).
31.
H.
Sakurai
,
T.
Narita
,
M.
Omori
,
S.
Yamada
,
A.
Koura
,
M.
Iwinska
,
K.
Kataoka
,
M.
Horita
,
N.
Ikarashi
,
M.
Bockowski
,
J.
Suda
, and
T.
Kachi
,
Appl. Phys. Express
13
,
086501
(
2020
).
32.
K.
Sierakowski
,
R.
Jakiela
,
B.
Lucznik
,
P.
Kwiatkowski
,
M.
Iwinska
,
M.
Turek
,
H.
Sakurai
,
T.
Kachi
, and
M.
Bockowski
,
Electronics
9
,
1380
(
2020
).
33.
T.
Maeda
,
T.
Narita
,
S.
Yamada
,
T.
Kachi
,
T.
Kimoto
, and
M.
Horita
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
, Technical Digest (
2019
), pp.
4.2.1
4.2.4
.
34.
K.
Kataoka
,
T.
Narita
,
H.
Iguchi
,
T.
Uesugi
, and
T.
Kachi
,
Phys. Status. Solidi B
255
,
1700379
(
2018
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.