近日，山東大學&華為聯(lián)合報道了應用氟離子注入終端結(jié)構(gòu)的1200 V全垂直Si基GaN溝槽MOSFET（FIT-MOS）。氟離子注入終端（FIT）區(qū)域固有的具有負性電荷成為高阻區(qū)域，天然地隔離了MOSFET器件，取代了傳統(tǒng)的臺面刻蝕終端（MET），消除了臺面邊緣的電場聚集效應，從而將FIT-MOS的BV從MET-MOS的567 V提升到1277 V。此外，所制造的FIT-MOS表現(xiàn)出3.3 V的閾值電壓（Vth），達到了107的開關(guān)比（ION/OFF），以及5.6 mΩ·cm2的比導通電阻（Ron,sp）。這些結(jié)果表明，在高性價比Si基GaN平臺制備的垂直晶體管在kV級應用中具有很大的潛力。相關(guān)成果以《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》為題發(fā)表在《IEEE Electron Device Letters》上。
標題：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
圖1：（a）具有氟注入端終端（FIT-MOS）的全垂直硅基氮化鎵溝槽 MOSFET 的結(jié)構(gòu)示意圖和（b）溝槽柵極區(qū)域截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
圖2：全垂直溝槽MOSFET的NPN型外延結(jié)構(gòu)材料表征結(jié)果
圖3：全垂直硅基氮化鎵FIT-MOS和MET-MOS的關(guān)態(tài)擊穿特性。插圖為FIT-MOS和MET-MOS的潛在漏電路徑。
在VDS=10 V時FIT-MOS的轉(zhuǎn)移特性曲線顯示出Vth=3.3 V (IDS=1A/cm2)和ION/OFF=107。而FIT-MOS的輸出特性曲線則是顯示了8 kA/cm2的高漏極電流密度和相對較低的Ron,sp，經(jīng)過輸出曲線線性區(qū)域計算得到5.6 mΩ·cm2。
而FIT-MOS和MET-MOS的關(guān)態(tài)擊穿特性比較可以知道，F(xiàn)IT-MOS具有1277 V的高擊穿電壓，而MET-MOS則是在567 V就已經(jīng)發(fā)生擊穿。而且擊穿前器件的柵極漏電都保持在10-6 A/cm2以下，則是表明了柵介質(zhì)疊層在高VDS下具有出色的穩(wěn)定性。但是，因FIT-MOS具有額外的垂直漏電流路徑，其在低VDS下表現(xiàn)出了比MET-MOS更大的關(guān)態(tài)漏電流，這可以對比通過MET與FIT橫向測試結(jié)構(gòu)的電流密度來確定。因為注入后的FIT區(qū)域中Ga空位的存在以及原子鍵能弱，F(xiàn)離子可能會在GaN晶格中擴散并逸出，這會干擾到F離子注入的熱穩(wěn)定性。采用優(yōu)化的注入后退火工藝可以有效降低FIT-MOS的關(guān)態(tài)漏電流密度，提高器件的熱可靠性。
圖4：制備的FIT-MOS與硅、藍寶石（Sap）和GaN襯底上已報道的GaN垂直溝槽MOSFET（a） Ron,sp與 BV 對比，以及 （b） 漂移層厚度 （Tdrift）與BV 對比。
研究人員還比較了FIT-MOS器件與先前報道的垂直 GaN 晶體管的Ron,sp、BV和漂移層厚度，得到的Baliga 優(yōu)值為 291 MW/cm2，實現(xiàn)與更昂貴的GaN襯底上制備的器件接近的性能。同時，耐壓超過1200 V垂直型 GaN-on-GaN 晶體管往往需要超過 10 μm的漂移層，而垂直型GaN-on-Si FIT-MOS 得益于高效的氟離子注入終端，使用更薄的漂移層（7 μm）就實現(xiàn)了超過1200 V的擊穿電壓。
測試結(jié)果顯示，F(xiàn)IT-MOS 呈現(xiàn)增強模式工作特性，閾值電壓（VTH）為 3.3 V，開關(guān)電流比約為 10?，導通電流密度達 8 kA/cm²，比導通電阻（Ron,sp）為 5.6 mΩ·cm2。它的擊穿電壓（BV）達到了 1277 V，而對照的 MET-MOS 只有 567 V。不過研究團隊也指出，因為 FIT 結(jié)構(gòu)有額外的垂直泄漏路徑，F(xiàn)IT-MOS 在低漏源電壓（VDS）下的關(guān)態(tài)電流密度比 MET-MOS 大。
研究團隊展示了1200 V全垂直Si基GaN溝槽MOSFET，并采用了氟離子注入終端結(jié)構(gòu)。其采用了FIT高阻結(jié)構(gòu)替代了傳統(tǒng)的臺面刻蝕終端結(jié)構(gòu)，有效隔離了器件，消除了終端區(qū)域的電場聚集問題，從而將BV從MET-MOS的567 V提高了FIT-MOS的1277 V。此外，F(xiàn)IT-MOS的Vth為3.3 V，ION/OFF比達到了107，Ron,sp為5.6 mΩ·cm2，漏極電流密度為8 kA/cm2，這些結(jié)果使得垂直Si基GaN晶體管在kV級電力電子應用中奠定了基礎(chǔ)。
本文報道了1200 V全垂直Si基GaN溝槽MOSFET的氟離子注入終端（FIT）結(jié)構(gòu)，F(xiàn)IT結(jié)構(gòu)取代了通常使用的臺面刻蝕終端，有效地隔離了分立的FIT-MOS，消除了MET-MOS中的電場聚集現(xiàn)象，結(jié)果表明，該器件的擊穿電壓為1277 V。氟離子注入終端技術(shù)為垂直GaN溝道MOSFET在kV級電力系統(tǒng)中的應用提供了廣闊的前景。
