华为联合山东大学突破：1200V全垂直硅基氮化镓MOSFET

近日，山东大学&华为联合报道了应用氟离子注入终端结构的1200V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET（FIT-MOS）。氟离子注入终端（FIT）区域固有的具有负性电荷成为高阻区域，天然地隔离了MOSFET器件，取代了传统的台面刻蚀终端（MET），消除了台面边缘的电场聚集效应，从而将FIT-MOS的BV从MET-MOS的567 V提升到1277 V。此外，所制造的FIT-MOS表现出3.3 V的阈值电压（Vth），达到了107的开关比（ION/OFF），以及5.6mΩ·cm2的比导通电阻（Ron,sp）。这些结果表明，在高性价比Si基GaN平台制备的垂直晶体管在kV级应用中具有很大的潜力。相关成果以《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》为题发表在《IEEE Electron Device Letters》上。

标题：1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET

作者：Yuchuan Ma，Hang Chen， Shuhui Zhang，Huantao Duan，Bin Hu，Huimei Ma，Jianfei Shen，Minghua Zhu， Jin Rao and Chao Liu

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图1：（a）具有氟注入端终端（FIT-MOS）的全垂直硅基氮化镓沟槽 MOSFET 的结构示意图和（b）沟槽栅极区域截面扫描电子显微镜（SEM）图像。

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图2：全垂直沟槽MOSFET的NPN型外延结构材料表征结果

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图3：全垂直硅基氮化镓FIT-MOS和MET-MOS的关态击穿特性。插图为FIT-MOS和MET-MOS的潜在漏电路径。

在VDS=10 V时FIT-MOS的转移特性曲线显示出Vth=3.3 V (IDS=1A/cm2)和ION/OFF=107。而FIT-MOS的输出特性曲线则是显示了8 kA/cm2的高漏极电流密度和相对较低的Ron,sp，经过输出曲线线性区域计算得到5.6 mΩ·cm2。

而FIT-MOS和MET-MOS的关态击穿特性比较可以知道，FIT-MOS具有1277 V的高击穿电压，而MET-MOS则是在567 V就已经发生击穿。而且击穿前器件的栅极漏电都保持在10-6 A/cm2以下，则是表明了栅介质叠层在高VDS下具有出色的稳定性。但是，因FIT-MOS具有额外的垂直漏电流路径，其在低VDS下表现出了比MET-MOS更大的关态漏电流，这可以对比通过MET与FIT横向测试结构的电流密度来确定。因为注入后的FIT区域中Ga空位的存在以及原子键能弱，F离子可能会在GaN晶格中扩散并逸出，这会干扰到F离子注入的热稳定性。采用优化的注入后退火工艺可以有效降低FIT-MOS的关态漏电流密度，提高器件的热可靠性。

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图4：制备的FIT-MOS与硅、蓝宝石（Sap）和GaN衬底上已报道的GaN垂直沟槽MOSFET（a） Ron,sp与BV 对比，以及 （b） 漂移层厚度 （Tdrift）与BV 对比。

研究人员还比较了FIT-MOS器件与先前报道的垂直 GaN 晶体管的Ron,sp、BV和漂移层厚度，得到的Baliga 优值为 291 MW/cm2，实现与更昂贵的GaN衬底上制备的器件接近的性能。同时，耐压超过1200 V垂直型GaN-on-GaN 晶体管往往需要超过 10 μm的漂移层，而垂直型GaN-on-Si FIT-MOS 得益于高效的氟离子注入终端，使用更薄的漂移层（7 μm）就实现了超过1200 V的击穿电压。

测试结果显示，FIT-MOS 呈现增强模式工作特性，阈值电压（VTH）为 3.3 V，开关电流比约为 10⁷，导通电流密度达 8 kA/cm²，比导通电阻（Ron,sp）为 5.6 mΩ·cm2。它的击穿电压（BV）达到了 1277 V，而对照的 MET-MOS 只有 567 V。不过研究团队也指出，因为 FIT 结构有额外的垂直泄漏路径，FIT-MOS 在低漏源电压（VDS）下的关态电流密度比 MET-MOS 大。

研究团队展示了1200 V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET，并采用了氟离子注入终端结构。其采用了FIT高阻结构替代了传统的台面刻蚀终端结构，有效隔离了器件，消除了终端区域的电场聚集问题，从而将BV从MET-MOS的567 V提高了FIT-MOS的1277 V。此外，FIT-MOS的Vth为3.3 V，ION/OFF比达到了107，Ron,sp为5.6 mΩ·cm2，漏极电流密度为8 kA/cm2，这些结果使得垂直Si基GaN晶体管在kV级电力电子应用中奠定了基础。

本文报道了1200 V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET的氟离子注入终端（FIT）结构，FIT结构取代了通常使用的台面刻蚀终端，有效地隔离了分立的FIT-MOS，消除了MET-MOS中的电场聚集现象，结果表明，该器件的击穿电压为1277 V。氟离子注入终端技术为垂直GaN沟道MOSFET在kV级电力系统中的应用提供了广阔的前景。

来源：《semiconductor today》等

审核编辑 黄宇