1200V全垂直硅基氮化镓MOSFET

近日，华为&山东大学联合报道了报道了应用氟注入终端结构的1200V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET（FIT-MOS），氟注入终端FIT区域固有的具有负性电荷成为阻性区域，天然的隔离器件，取代了传统的mesa刻蚀终端（MET），消除了mesa边缘的电场集中效应，从而将FIT-MOS的BV从MET-MOS的567V提升到1277V。此外，所制造的FIT-MOS表现出3.3V的Vth，ON/OFF为达到了1e7，Ron,sp为5.6mΩ·cm2。这些结果表明，具有很好的性价比的Si基GaN垂直晶体管在kV级应用中具有很大的潜力。相关成果以《1200VFully-VerticalGaN-on-SiPowerMOSFET》为题发表在《IEEEElectronDeviceLetters》上。

标题：1200VFully-VerticalGaN-on-SiPowerMOSFET

氮化镓沟槽MOSFET的结构示意图和（b）横截面扫描电子显微镜（SEM）图像（沟槽栅极区域）。

S的NPN型外延结构的横截面以及SIMS

在VDS=10V时FIT-MOS的转移特性曲线。FIT-MOS表现出Vth=3.3V(IDS=1A/cm2)，ON/OFF为1e7。而FIT-MOS的输出特性曲线则是揭示了8kA/cm2的高导通电流密度。FIT-MOS展示出了相对低的Ron,sp，经过曲线线性区域计算得到5.6mΩ·cm2。

而FIT-MOS和MET-MOS的阻断击穿特性比较可以知道，FIT-MOS具有1277V的高击穿电压，而MET-MOS则是在567V就已经发生击穿。而且击穿前器件的IGSS都保持在1e-6A/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，则其在低VDS下表现出了比MET-MOS更大的阻断漏电流。这可以通过测试二者DS之间的电流密度来确定。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。

研究人员比较了R开，sp、BV和漂移层厚度（T漂移）其FIT器件相对于先前报道的垂直GaN晶体管的性能（图3）。将击穿和导通电阻相结合，BV2/R开，spBaliga品质因数（BFOM）给出的值为291MW/cm2，与在更昂贵的天然GaN衬底上制造的器件的价值相当。同时，与如此昂贵的GaN/GaN晶体管（7μm，而1200VBV超过10μm）相比，FIT-MOS具有更薄的漂移层，具有类似的BV性能。

测试结果显示，FIT-MOS呈现增强模式工作特性，阈值电压（VTH）为3.3V，开关电流比约为10⁷，导通电流密度达8kA/cm²，比导通电阻（Ron,sp）为5.6mΩ・cm²，算是比较低的。它的击穿电压（BV）达到了1277V，而对照的MET-MOS只有567V。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1200V全垂直Si基GaN沟槽MOSFET，并采用了F离子注入终端结构。其采用了FIT阻性结构带了传统的mesa刻蚀终端结构，有效隔离了器件，消除了终端区域的电场集中，从而将BV从MET-MOS的567V提高了FIT-MOS的1277V。此外，FIT-MOS的Vth为3.3V，ON/OFF比达到了1e7，Ron,sp为5.6mΩ·cm2，通态电流密度为8kA/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1200V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mesa刻蚀终端，有效地隔离了分立的FIT-MOS，消除了MET-MOS中的电场集中现象，结果表明，该器件的击穿电压为1277V。氟离子注入终止技术为垂直GaN沟道MOSFET在kV级电力系统中的应用提供了广阔的前景。