1200V全垂直硅基氮化鎵MOSFET

山東大學(xué)和華為技術(shù)有限公司在中國(guó)使用氟（F）離子注入端接（FIT）在全垂直氮化鎵（GaN）硅基硅（Si）溝槽金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）中實(shí)現(xiàn)了1200V擊穿性能[Yuchuan 馬等人，IEEE Electron Device Letters，2025年7月8日在線發(fā)表]。

通常，臺(tái)面蝕刻端接 （MET） 用于電隔離 GaN 半導(dǎo)體器件。然而，這會(huì)導(dǎo)致相對(duì)尖銳的拐角，電場(chǎng)往往會(huì)擁擠，導(dǎo)致過(guò)早擊穿。MET-MOS全垂直MOSFET的擊穿電壓約為650V。

功率氮化鎵器件正在與碳化硅 （SiC） 晶體管競(jìng)爭(zhēng)。雖然 GaN 在 100–650V 級(jí)別具有良好的性能，但 SiC 往往在 1200V 應(yīng)用中受到商業(yè)青睞。在低成本硅基板上的器件中實(shí)現(xiàn) 1200V 可能會(huì)使商業(yè)平衡向 GaN 傾斜。

圖 1：（a） 具有氟注入端接 （FIT-MOS） 的全垂直硅基氮化鎵溝槽 MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和 （b） 橫截面掃描電子顯微鏡 （SEM） 圖像（溝槽柵極區(qū)域）。

全垂直晶體管（圖1）是使用帶有埋入p-GaN層的GaN/硅金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）外延材料制造的。

研究人員評(píng)論道：“由AlGaN/AlN多層組成的導(dǎo)電緩沖層可實(shí)現(xiàn)完全垂直的電流路徑，同時(shí)無(wú)需復(fù)雜的基板工程過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)完全垂直配置。

該緩沖器還提供壓應(yīng)力，補(bǔ)償高溫MOCVD后冷卻過(guò)程中可能積聚的上覆GaN層中的拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋而沒(méi)有補(bǔ)償。研究人員使用 X 射線分析估計(jì)螺紋位錯(cuò)密度為 3.0x108/厘米2.陰極發(fā)光的相應(yīng)估計(jì)值為 1.4x108/厘米2.

首先蝕刻了大門(mén)溝。通過(guò)熱退火活化對(duì)氮化鎵。研究人員還通過(guò)四甲基氫氧化銨 （TMAH） 處理修復(fù)了澆口溝槽干蝕損壞。

F離子注入以三種能量（和劑量）進(jìn)行：240keV（4x1014）、140keV（2x1014）和80keV（1.2×1014/厘米2），分別。

原子層沉積（ALD）二氧化硅（SiO2）用作柵極電介質(zhì)。源接觸窗口通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻打開(kāi)。源金屬和柵極金屬均為鉻/金。漏極觸點(diǎn)由低電阻率硅襯底組成。研究人員還制造了一種采用常規(guī) MET 工藝的設(shè)備以進(jìn)行比較。

FIT-MOS在正閾值電壓（VTH） 的 3.3V。開(kāi)/關(guān)電流比為10階7.導(dǎo)通電流密度為8kA/cm2.比導(dǎo)通電阻 （R開(kāi)，sp）為5.6mΩ-cm2，被描述為“相對(duì)較低”。

擊穿電壓 （BV） 為 1277V，而比較 MET-MOS 為 567V（圖 2）。該團(tuán)隊(duì)評(píng)論道：“FIT-MOS在低電壓下表現(xiàn)出更大的關(guān)斷態(tài)電流密度DS由于與 FIT 結(jié)構(gòu)相關(guān)的額外垂直泄漏路徑，因此比 MET-MOS 的泄漏路徑更重要。

圖 2：0V 柵極電位 （V ） 時(shí)的關(guān)斷態(tài)擊穿電流-電壓 （I–V） 特性GS的）的制造全垂直硅基氮化鎵 FIT- 和 MET-MOS。插圖：FIT和MET-MOS的潛在泄漏路徑。

研究人員還認(rèn)為，F(xiàn)離子可以通過(guò)Ga空位擴(kuò)散，隨后從晶體管材料中逸出，從而對(duì)熱穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。該團(tuán)隊(duì)寫(xiě)道：“采用優(yōu)化的植入后退火工藝可以有效降低關(guān)斷狀態(tài)漏電流密度，并提高 FIT-MOS 的熱可靠性。

研究人員的模擬表明，F(xiàn)IT 結(jié)構(gòu)減少了電場(chǎng)擁擠，例如發(fā)生在 MET-MOS 晶體管中臺(tái)面角處的情況。FIT 模擬確實(shí)顯示了閘門(mén)溝附近的擁擠。這可以通過(guò)柵極屏蔽來(lái)改善。

圖 3：（a） R 的基準(zhǔn)開(kāi)，sp與 BV 相比，以及 （b） 漂移層厚度 （T漂移）與BV相比，用于硅、藍(lán)寶石（Sap）和GaN襯底上已報(bào)道的GaN垂直溝槽MOSFET的完全垂直FIT-MOS。

研究人員還比較了 R開(kāi)，sp、BV和漂移層厚度（T漂移）其 FIT 器件相對(duì)于先前報(bào)道的垂直 GaN 晶體管的性能（圖 3）。將擊穿和導(dǎo)通電阻相結(jié)合，BV2/R開(kāi)，spBaliga 品質(zhì)因數(shù) （BFOM） 給出的值為 291MW/cm2，與在更昂貴的天然 GaN 襯底上制造的器件的價(jià)值相當(dāng)。同時(shí)，與如此昂貴的 GaN/GaN 晶體管（7μm，而 1200V BV 超過(guò) 10μm）相比，F(xiàn)IT-MOS 具有更薄的漂移層，具有類(lèi)似的 BV 性能。