1200V全垂直硅基氮化镓MOSFET
山东大学和华为技术有限公司在中国使用氟（F）离子注入端接（FIT）在全垂直氮化镓（GaN）硅基硅（Si）沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中实现了1200V击穿性能[Yuchuan 马等人，IEEE Electron Device Letters，2025年7月8日在线发表]。
通常，台面蚀刻端接 （MET） 用于电隔离 GaN 半导体器件。然而，这会导致相对尖锐的拐角，电场往往会拥挤，导致过早击穿。MET-MOS全垂直MOSFET的击穿电压约为650V。
功率氮化镓器件正在与碳化硅 （SiC） 晶体管竞争。虽然 GaN 在 100–650V 级别具有良好的性能，但 SiC 往往在 1200V 应用中受到商业青睐。在低成本硅基板上的器件中实现 1200V 可能会使商业平衡向 GaN 倾斜。
图 1：（a） 具有氟注入端接 （FIT-MOS） 的全垂直硅基氮化镓沟槽 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）。
全垂直晶体管（图1）是使用带有埋入p-GaN层的GaN/硅金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延材料制造的。
研究人员评论道：“由AlGaN/AlN多层组成的导电缓冲层可实现完全垂直的电流路径，同时无需复杂的基板工程过程即可实现完全垂直配置。
该缓冲器还提供压应力，补偿高温MOCVD后冷却过程中可能积聚的上覆GaN层中的拉应力。这种拉应力会导致裂纹而没有补偿。研究人员使用 X 射线分析估计螺纹位错密度为 3.0x108/厘米2.阴极发光的相应估计值为 1.4x108/厘米2.
首先蚀刻了大门沟。通过热退火活化对氮化镓。研究人员还通过四甲基氢氧化铵 （TMAH） 处理修复了浇口沟槽干蚀损坏。
F离子注入以三种能量（和剂量）进行：240keV（4x1014）、140keV（2x1014）和80keV（1.2×1014/厘米2），分别。
原子层沉积（ALD）二氧化硅（SiO2）用作栅极电介质。源接触窗口通过反应离子蚀刻打开。源金属和栅极金属均为铬/金。漏极触点由低电阻率硅衬底组成。研究人员还制造了一种采用常规 MET 工艺的设备以进行比较。
FIT-MOS在正阈值电压（VTH） 的 3.3V。开/关电流比为10阶7.导通电流密度为8kA/cm2.比导通电阻 （R开，sp）为5.6mΩ-cm2，被描述为“相对较低”。
击穿电压 （BV） 为 1277V，而比较 MET-MOS 为 567V（图 2）。该团队评论道：“FIT-MOS在低电压下表现出更大的关断态电流密度DS由于与 FIT 结构相关的额外垂直泄漏路径，因此比 MET-MOS 的泄漏路径更重要。
图 2：0V 栅极电位 （V ） 时的关断态击穿电流-电压 （I–V） 特性GS的）的制造全垂直硅基氮化镓 FIT- 和 MET-MOS。插图：FIT和MET-MOS的潜在泄漏路径。
研究人员还认为，F离子可以通过Ga空位扩散，随后从晶体管材料中逸出，从而对热稳定性产生负面影响。该团队写道：“采用优化的植入后退火工艺可以有效降低关断状态漏电流密度，并提高 FIT-MOS 的热可靠性。
研究人员的模拟表明，FIT 结构减少了电场拥挤，例如发生在 MET-MOS 晶体管中台面角处的情况。FIT 模拟确实显示了闸门沟附近的拥挤。这可以通过栅极屏蔽来改善。
图 3：（a） R 的基准开，sp与 BV 相比，以及 （b） 漂移层厚度 （T漂移）与BV相比，用于硅、蓝宝石（Sap）和GaN衬底上已报道的GaN垂直沟槽MOSFET的完全垂直FIT-MOS。
研究人员还比较了 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 1200V BV 超过 10μm）相比，FIT-MOS 具有更薄的漂移层，具有类似的 BV 性能。
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