近日,華為和山中國學的作者發佈了一篇題為《1200 V Fully-Vertical GaN-on-Si Power MOSFET》的我論文。在文中,他們介紹一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟注入終端(FIT-MOS)。FIT (fluorine implanted termination)區由於帶有固定的負電荷而表現為高電阻,可自然地將離散器件隔離,取代了傳統的檯面刻蝕終端(MET),消除了檯面邊緣的電場擁擠效應。結果顯示,FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外,所製備的 FIT-MOS 具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 10^7 的開關比 (ON/OFF ratio),以及 5.6 mΩ·cm² 的比導通電阻 (Ron,sp)。這些結果表明,GaN-on-Si 垂直電晶體在 kV 級應用中具有巨大的性價比潛力。簡介氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)等寬禁帶半導體,在開發高效、高密度電力系統方面具有巨大潛力。目前,GaN 基電晶體已廣泛應用於 100 V 至 650 V 的電源,而 SiC 基電晶體則主要在 1200 V 以上的高壓領域佔據商業主導地位。然而,對於 650 V 至 1200 V 這一對成本和性能競爭都異常激烈的市場區間,GaN 和 SiC 誰將成為最佳選擇,仍未可知。儘管 SiC 基電晶體的發展取得了顯著進展,但其相對高昂的襯底成本,從經濟角度限制了它們在這一電壓範圍內的競爭力。幸運的是,在低成本、大尺寸矽(Si)襯底上外延生長 GaN 的異質外延技術取得了突破,這為製造高性價比、高性能的 GaN 電晶體帶來了巨大希望。得益於 AlGaN/GaN 異質介面處產生的高密度二維電子氣(2DEG),**GaN 基橫向高電子遷移率電晶體(HEMTs)**在需要高頻率和低電壓的應用中具有顯著優勢。然而,由於橫向架構固有的可擴展性限制,將 GaN-on-Si 橫向 HEMT 的擊穿電壓擴展到 650 V 以上仍然是一個挑戰。相比之下,垂直拓撲結構具有設計靈活性,垂直 GaN 功率電晶體通過增加漂移層的厚度而不增加器件的面積,在千伏(kV)級阻斷能力方面展現出顯著優勢。近年來,已成功開發出多款 1200 V 垂直 P-i-N 二極體,並展示了優異的阻斷和雪崩能力,這驗證了垂直 GaN-on-Si 拓撲在高壓和高功率應用中的可行性。Liu 等人首次報導了准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用 4 μm 厚的 GaN 漂移層,其硬擊穿電壓達 645 V。隨後研究聚焦於最佳化 p-GaN 通道區與柵介質層,以改善准垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的導通性能和可靠性。為消除准垂直結構中存在的電流擁擠效應,Khadar 等人展示了首個全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,其漏極焊盤沉積於通過選擇性去除緩衝層和矽襯底後暴露的背面 n+-GaN 層上。Debaleen 等人報導了一種帶有導電緩衝層的全垂直 GaN-on-Si 電晶體,這種設計消除了複雜的襯底工藝並簡化了製造流程。然而,由於缺乏有效的終端結構和高品質的漂移層,這些報導的垂直 GaN-on-Si MOSFETs 的擊穿電壓(BV)仍低於 650 V,這對於千伏(kV)等級的電力系統應用來說是不足的。本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟離子注入終端(FIT)。傳統的檯面刻蝕終端(MET)被電阻型 FIT 結構取代,該結構能夠有效隔離離散器件,並緩解終端區域的電場擁擠效應。因此,FIT-MOS 的擊穿電壓從 MET-MOS 的 567 V 提升至 1277 V。此外,FIT-MOS 表現出增強型工作模式,具有 3.3 V 的閾值電壓 (Vth)、約 107 的開關比 (ON/OFF ratio)、低的比導通電阻 (Ron,sp) 為 5.6 mΩ·cm²,以及 8 kA/cm² 的高導通電流密度。這些結果為基於 GaN-on-Si 垂直電晶體的 kV 級電力電子系統的發展奠定了基礎。外延生長與器件製造圖 1(a)-(b) 展示了全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的結構示意圖和溝槽柵區域的截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。通過注入強電負性的氟離子,原本導電的 n+-GaN/p-GaN 層在 FIT 區域內變為電阻層,從而有效地隔離離散 FIT-MOS 器件,消除了傳統 MET 結構的需求。FIT-MOS 的柵溝槽深度為 1.15 μm,延伸至 n-GaN 漂移層。可以觀察到完整的柵堆疊結構,包括 100 nm 厚的 SiO₂ 柵介質層,以及 50/150 nm 厚的 Cr/Au 柵金屬層。圖 1:(a)全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET 的結構示意圖;(b)帶氟注入終端(FIT-MOS)的溝槽柵區域橫截面 SEM 圖像。FIT-MOS 的製造工藝首先使用 SiO₂作為硬掩膜進行柵溝槽刻蝕,隨後在氮氣環境下以 850°C 快速熱退火(RTA)20 分鐘,以啟動埋藏的 p-GaN 層中的受主。通過在 25% TMAH 溶液中 85°C 浸泡 3 小時修復干法刻蝕損傷。隨後進行三能級氟離子注入(能量/劑量:240 keV/4×10¹⁴cm⁻²,140 keV/2×10¹⁴cm⁻²,80 keV/1.2×10¹⁴cm⁻²),採用住友 Eaton Nova 的 NV-GSD-HE 離子注入機,並用約 6.5μm 厚的 AZ4620 光刻膠作為掩膜,形成 FIT 區域。隨後採用原子層沉積(ALD)沉積100 nm 厚的SiO₂柵介質層,並通過反應離子刻蝕(RIE)開源極接觸孔。最後沉積雙層 Cr/Au 堆疊以形成柵極和源極電極。低電阻矽襯底作為漏極電極。MET-MOS 與 FIT-MOS 的工藝流程類似,不同之處在於 MET-MOS 採用檯面刻蝕來隔離離散器件。結果與討論圖 2(a)-(b) 展示了全垂直溝槽 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的截面 SEM 圖像及二次離子質譜(SIMS)剖面。從上到下,N-P-N 結構包括:20nm厚的 n⁺⁺-GaN 層(Si 摻雜 ~1×10¹⁹cm⁻³)、200 nm厚的n⁺-GaN 源極接觸層(Si 摻雜~5×10¹⁸cm⁻³)、400nm厚的 p-GaN通道層(Mg摻雜~1×10¹⁹cm⁻³)、以及 7μm厚的 n⁻-GaN 漂移層(N_D–N_A ~8×10¹⁵cm⁻³)。該結構外延在 6 英吋 Si 襯底上,並採用導電緩衝層,通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)實現。圖 2(a) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像;(b) 全垂直溝槽型 MOSFET 的 N-P-N 外延結構的二次離子質譜(SIMS)剖面圖;(c) (002) 和 (102) 晶向的 Omega 搖擺曲線。插圖顯示了在 Si 襯底上生長的 GaN層;陰極發光(CL)圖像;(d) 通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和二次離子質譜(SIMS)測量得到的氟離子(F 離子)分佈。導電緩衝層由 AlGaN/AlN 多層組成,可實現全垂直電流通路,同時避免複雜的襯底工程工藝。而且,基於 AlGaN/AlN 的緩衝層還能對上方的 GaN 漂移層提供足夠的壓應力,有效補償拉伸應力,避免因高溫冷卻過程引起的裂紋。通過 X 射線ω搖擺曲線的半峰寬(FWHM)(見圖 2(c)),估算出的穿通位錯密度(TDD)為 3.0×10⁸cm⁻²,其計算公式如下:其中,β是半峰寬,b是伯格斯向量。通過陰極發光(CL)測量也得到了類似的位錯密度(TDD),為1.4×10⁸cm⁻²,如圖 2(c) 的插圖所示。圖 2(d) 顯示了通過物質中離子輸運 (TRIM) 模擬和 二次離子質譜 (SIMS) 測量得到的氟離子(F 離子)分佈剖面,結果顯示氟離子在 FIT 結構中呈均勻分佈。圖 3(a) 顯示了 FIT-MOS 在 VDS = 10 V 下的轉移特性曲線(線性與對數坐標)。FIT-MOS 表現為增強型工作模式,具有正的閾值電壓 Vth = 3.3 V(在 IDS = 1 A/cm² 時提取)、約 10⁷ 的開關比,以及 ~0.5 V 的遲滯現象。圖 3(b) 顯示了所製備 FIT-MOS 的輸出特性,揭示其高導通電流密度為 8 kA/cm²。由線性區計算得到的比導通電阻 Ron,sp 約為 5.6 mΩ·cm²。圖 3(a) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的轉移特性曲線;(b) 所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 的輸出 I-V 特性曲線。ID(漏極電流)已按溝槽面積進行歸一化。圖 4 對比了FIT-MOS 與 MET-MOS 的關斷態擊穿特性。在擊穿前,柵漏電流 (IG) 始終低於10⁻⁶A/cm²,表明柵介質堆疊在高漏極偏壓下具有優異的穩定性。FIT-MOS 的擊穿電壓高達 1277 V,而 MET-MOS 在 567 V 就發生了過早擊穿。在低 VDS 時,FIT-MOS 的關斷態電流密度比 MET-MOS 更大,這是由於 FIT 結構引入了額外的縱向漏電通道。這一現象可通過測試結構的點對點漏電流密度(見圖 5(a))得到驗證。此外,由於氟離子注入後 FIT 區域存在 Ga 空位、原子鍵合不足以及能量約束不足,氟離子可能在 GaN 晶格中擴散並逸出表面,從而影響器件的熱穩定性。採用最佳化的後注入退火工藝可有效降低關斷態漏電流密度,並增強 FIT-MOS 的熱穩定性。圖 4,在 VGS=0 V 條件下,所製造的全垂直 GaN-on-Si FIT-MOS 和 MET-MOS 的關態擊穿 I-V 特性曲線。插圖顯示了 FIT-MOS 和 MET-MOS 的潛在漏電路徑。圖 5(a) 帶有 FIT 和 MET 隔離的測試結構(插圖)的焊盤到焊盤的漏電流密度;(b) MET-MOS 在VDS=400 V時的模擬電場分佈;(c) FIT-MOS 在 VDS=1200 V 時的模擬電場分佈為分析 MET-MOS 和 FIT-MOS 的擊穿機理,採用 TCAD 模擬計算二維電場分佈(見圖 5(b)-(c))。模擬中使用的關鍵物理模型包括載流子漂移擴散模型、產生-複合模型、連續性方程與泊松方程,以及雪崩電離模型。在 VDS = 400 V 時,MET 結構在檯面拐角處可觀察到電場擁擠,峰值電場達 2.7 MV/cm,導致其擊穿電壓下降。而如圖 5(c) 所示,FIT 結構能夠有效抑制終端區域的電場擁擠。然而,在溝槽柵區域仍觀察到電場擁擠,這可以通過採用柵極遮蔽結構來有效抑制。圖 6:(a)比導通電阻 Ron,sp 與擊穿電壓 BV 的對比;(b)漂移層厚度 (Tdrift) 與擊穿電壓 BV 的對比。對比對象為本文製備的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上的 GaN 垂直溝槽 MOSFET圖 6(a)-(b) 對比了本文製備的 GaN-on-Si FIT-MOS 與已報導的在 Si、藍寶石 (Sap) 和 GaN 襯底上製備的垂直 GaN 溝槽 MOSFET 的 Ron,sp–BV 以及漂移層厚度–BV 特性。本文 FIT-MOS 在異質襯底(Si 與 Sap)上實現了先進水平的擊穿電壓 1277 V,低比導通電阻 5.6 mΩ·cm²,以及高 Baliga 優值(BFOM = BV² / Ron,sp)為 291 MW/cm²,其性能與在本征 GaN 襯底上製備的器件相當。此外,得益於高效的氟注入終端技術,7 μm 漂移層厚度的 GaN-on-Si 全垂直 FIT-MOS 實現了與典型 1200 V 級 GaN-on-GaN 垂直溝槽 MOSFET 相當的擊穿電壓,而後者通常需要超過 10 μm 的漂移層厚度。這一結果標誌著低成本 GaN-on-Si 垂直 MOSFET 向 1200 V 級電力應用邁出了關鍵一步。結論本文展示了一種 1200 V 全垂直 GaN-on-Si 溝槽 MOSFET,採用氟離子注入終端(FIT)技術。FIT 結構取代了常規的檯面刻蝕終端,有效地實現了對離散 FIT-MOS 器件的隔離,從而消除了 MET-MOS 中的電場擁擠效應。結果實現了 1277 V 的先進擊穿電壓,以及 291 MW/cm² 的 Baliga 優值 (BFOM)。氟注入終端技術為垂直 GaN 溝槽 MOSFET 在 kV 級電力系統中的應用展現了巨大的潛力。 (半導體行業觀察)